專利名稱：直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動控制領(lǐng)域，特別涉及一種直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)及其工作方法。
背景技術(shù)：
過去的屏蔽門系統(tǒng)多采用單片機(jī)通過減速器驅(qū)動直流有刷電機(jī)構(gòu)成。這種控制方式損耗較大，控制精度不高且壽命不長。無刷直流電機(jī)是一種無換向器的元件，可以有效地克服有刷直流電機(jī)由于換向火花所引起的轉(zhuǎn)矩波動與電磁干擾等問題，且易于控制，特別是在配合了PWM驅(qū)動技術(shù)后，使得無刷直流電機(jī)在控制上能達(dá)到較高精度。用無刷直流電機(jī)實現(xiàn)屏蔽門機(jī)的直接驅(qū)動，不僅使屏蔽門裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化，還使制造成本下降，而且安裝調(diào)試方便，故障率低。因此，無刷直流電機(jī)在屏蔽控制系統(tǒng)中得到廣泛地應(yīng)用。
但無刷直流電機(jī)也存在一些問題，其中最主要的問題就是存在轉(zhuǎn)矩脈動，使得無刷直流電機(jī)在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。由于轉(zhuǎn)矩存在尤其是在直接驅(qū)動應(yīng)用的場合，由于沒有減速裝置，轉(zhuǎn)矩脈動在動態(tài)情況下，會通過轉(zhuǎn)子傳遞到負(fù)載上，引起預(yù)料不到的速度脈動，從而通過電機(jī)底座產(chǎn)生振動、諧振、噪聲等問題。長時間工作下去會對屏蔽門的壽命產(chǎn)生不良影響。目前只能是在原有結(jié)構(gòu)上提出了一些削弱、補償?shù)姆椒ǎ茨軓母旧舷D(zhuǎn)矩脈動所產(chǎn)生的問題。
直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(簡稱DTC)是繼矢量控制之后又一高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。其摒棄了矢量控制中解耦的控制思想，去掉了脈寬調(diào)制器PWM和電流反饋環(huán)節(jié)、直接控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)以及優(yōu)良的控制性能。
直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理是德國的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分別于1986年提出來的，是繼矢量控制之后的又一重大發(fā)現(xiàn)。
直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系計算與控制交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)(控制)產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省掉了復(fù)雜的矢量變換與電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡化處理。它的控制思想新穎，控制手段直接，信號處理的物理概念明確，該控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，是一種具有高靜動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。
中國專利申請200410065332.4公開了一種涉及無位置傳感器技術(shù)的無刷直流電機(jī)基波法直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，包括無刷直流電機(jī)，功率變換器，變換器控制信號，基于數(shù)字控制信號處理器的控制系統(tǒng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D及電流、電壓傳感器。該裝置根據(jù)檢測到的電流、電壓信號，由其中的數(shù)字信號處理器計算出電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，將其與給定基波磁鏈、給定轉(zhuǎn)矩相比較，由比較結(jié)果和磁鏈所在的空間位置，直接選用最優(yōu)的空間電壓矢量通過功率變換器作用于無刷直流電機(jī)，達(dá)到調(diào)速的目的。
中國專利申請02148650.6公開了一種空間矢量調(diào)制的感應(yīng)電動機(jī)變結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩直接控制方法，其根據(jù)定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩各自誤差的大小通過變結(jié)構(gòu)磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制器去計算出控制這些誤差收斂的定子電壓矢量，再以空間矢量調(diào)制方式生成電壓逆變器的開關(guān)控制信號以控制感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法。
上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處在于根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制原理，圖6(a)為現(xiàn)有技術(shù)中的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較控制波形圖，T*e為系統(tǒng)輸入的轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)比較的理想值，采用轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較閾值即ΔTe來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。圖6(b)為現(xiàn)有技術(shù)中的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元的輸出波形圖，其中，磁通滯環(huán)比較控制器的輸出波形即控制變量的正向調(diào)節(jié)時間t1和負(fù)向調(diào)節(jié)時間t2，是由系統(tǒng)輸入的轉(zhuǎn)矩值Te決定的。在系統(tǒng)輸入頻率較高，頻繁變換時，t1，t2是無法控制的，是不均勻的，即開關(guān)頻率不固定、對濾波不利。這也是影響現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)矩控制效果的直接原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于消除無刷直流電機(jī)使用過程中的轉(zhuǎn)矩脈動且轉(zhuǎn)矩控制效果較好、響應(yīng)較快的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)及其工作方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)，包括坐標(biāo)變換單元用于將檢測得的電機(jī)的電流信號、電壓信號分別從abc坐標(biāo)系變換到αβ定子坐標(biāo)軸系，以輸出定子電流信號和定子電壓信號；磁鏈計算單元用于根據(jù)來自坐標(biāo)變換單元的定子電流信號計算出電機(jī)的定子磁鏈Ψs；同時根據(jù)來自坐標(biāo)變換單元的定子電流信號和定子電壓信號計算出定子磁鏈Ψs的幅值|Ψs|及定子磁鏈Ψs的分量Ψα和Ψβ；然后，根據(jù)來自坐標(biāo)變換單元的定子電流信號、所述Ψα和Ψβ計算出定子磁鏈Ψs與abc坐標(biāo)系的a軸之間的夾角θ；轉(zhuǎn)矩計算單元用于根據(jù)所述定子電流信號和來自磁鏈計算單元的所述Ψα和Ψβ計算出電機(jī)的定子轉(zhuǎn)矩Te；磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元用于將來自磁鏈計算單元的定子磁鏈Ψs和來自轉(zhuǎn)矩計算單元的定子轉(zhuǎn)矩Te分別與參考值Ψs*和T*e相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的頻率為4-8kHz的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ；開關(guān)表用于根據(jù)來自磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ和來自磁鏈計算單元的定子磁鏈Ψs及夾角θ，確定一個對應(yīng)的電壓空間矢量輸出；逆變器單元用于根據(jù)來自開關(guān)表的所述電壓空間矢量控制逆變器，以使逆變器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。
上述的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)的工作方法，包括如下步驟A、坐標(biāo)變換單元檢測電機(jī)的電流信號、電壓信號，后將該電流信號和電壓信號從abc坐標(biāo)系變換到αβ定子坐標(biāo)軸系，以輸出定子電流信號iα和iβ、定子電壓信號uα和uβ至磁鏈計算單元；B、磁鏈計算單元根據(jù)所述定子電流信號iα和iβ計算出電機(jī)的定子磁鏈Ψs；同時根據(jù)所述電流信號iα和iβ和定子電壓信號uα和uβ計算出定子磁鏈Ψs的幅值|Ψs|及定子磁鏈Ψs的分量Ψα和Ψβ；然后，根據(jù)所述iα和iβ、所述Ψα和Ψβ計算出定子磁鏈Ψs與abc坐標(biāo)系的a軸之間的夾角θ；C、轉(zhuǎn)矩計算單元根據(jù)所述定子電流信號iα和iβ和來自磁鏈計算單元的所述Ψα和Ψβ計算出電機(jī)的定子轉(zhuǎn)矩Te；D、磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元將來自磁鏈計算單元的定子磁鏈Ψs和來自轉(zhuǎn)矩計算單元的定子轉(zhuǎn)矩Te分別與參考值Ψs*和T*e相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ；磁鏈調(diào)節(jié)信號τ和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ均為高頻方波信號；
E、開關(guān)表根據(jù)來自磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ和來自磁鏈計算單元的定子磁鏈Ψs及夾角θ，得出一相應(yīng)的電壓矢量Sabc，并輸出一相應(yīng)的高頻開關(guān)信號；F、逆變器單元根據(jù)來自開關(guān)表的所述高頻開關(guān)信號控制逆變器，以使逆變器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。
本發(fā)明具有積極的效果(1)本發(fā)明方案中，磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元將來自磁鏈計算單元的定子磁鏈Ψs和來自轉(zhuǎn)矩計算單元的定子轉(zhuǎn)矩Te分別與參考值Ψs*和T*e相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的頻率為4-8kHz的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ；相對于現(xiàn)有技術(shù)，大大提高了輸入開關(guān)表的控制信號的頻率，從而提高了逆變器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的能力。采用的直接轉(zhuǎn)矩控制不含電流控制環(huán)，不考慮定子電流的波形，而是根據(jù)測得的轉(zhuǎn)矩與參考轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，并根據(jù)這個比較結(jié)果直接控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，因而對轉(zhuǎn)矩的控制效果好，響應(yīng)快，從而解決了無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動的問題。(2)本發(fā)明通過提高逆變器開關(guān)頻率來削減轉(zhuǎn)矩脈動。在數(shù)字化的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，在控制方式上，使用固定的采樣周期取代了轉(zhuǎn)矩的控制滯環(huán)，它在每一個采樣周期內(nèi)只根據(jù)計算結(jié)果對逆變器的輸出電壓進(jìn)行一次調(diào)整，然后這個電壓將一直施加給電機(jī)，直到下一個采樣、計算周期的結(jié)束。所以，為了提高系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)頻率，必須縮短采樣周期，以盡可能快地根據(jù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)需要來變換施加在電機(jī)上的電壓。這樣就可以達(dá)到跟滯環(huán)控制中減小滯環(huán)容差范圍的控制方法相一致的控制效果。(3)現(xiàn)有技術(shù)只能將電機(jī)換相期間的轉(zhuǎn)矩脈動幅度控制在額定轉(zhuǎn)矩的50％之內(nèi)，并且這還依賴于電機(jī)反電勢的畸變情況以及電機(jī)的參數(shù)，比如電感、電阻等。而本發(fā)明采用直接轉(zhuǎn)矩控制的方法來控制時，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩紋波可以控制在5％以下，并且還可以輕易地利用電機(jī)的機(jī)械慣性來將其濾掉。


圖1.為本發(fā)明的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)的原理框圖；圖2.為本發(fā)明的將abc坐標(biāo)下的電流、電壓信號的坐標(biāo)變換到定子坐標(biāo)軸系αβ坐標(biāo)系下的示意圖；圖3.為本發(fā)明的定子磁鏈滯環(huán)比較器的比較示意圖；圖4.為本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的比較示意圖；圖5.為本發(fā)明的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
圖6中，圖6(a)為現(xiàn)有技術(shù)中的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較控制波形圖；圖6(b)為現(xiàn)有技術(shù)中的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元的輸出波形圖；圖6(c)為高頻化的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元的輸出波形圖；圖7.為本發(fā)明的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)的DTC算法的程序流程框圖；圖8中，圖8(a)為現(xiàn)有技術(shù)中的磁鏈滯環(huán)比較控制波形圖；圖8(b)為現(xiàn)有技術(shù)中的磁鏈滯環(huán)控制單元的輸出波形圖；圖8(c)為高頻化的直接轉(zhuǎn)矩控制單元的輸出波形圖。
具體實施例方式
(實施例1)見圖1和圖5，本實施例的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)包括逆變器6、數(shù)據(jù)信號處理器DSP 8、測速編碼器9、功率驅(qū)動電路10、信號處理電路11和整流濾波電路12。
220V交流電經(jīng)整流濾波電路12的輸出端與逆變器6的電源端相連；逆變器6的控制輸出端接電機(jī)7的電源端。數(shù)字信號處理器8具有PWM控制輸出端，串聯(lián)功率驅(qū)動電路10后與逆變器單元6的控制信號輸入端相連；數(shù)字信號處理器8具有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端；信號處理電路11包括電流傳感器13，數(shù)字信號處理器8的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端經(jīng)信號處理電路11檢測電機(jī)7的電流信號、電壓信號；數(shù)字信號處理器8具有CAP轉(zhuǎn)速捕獲輸入端，用于經(jīng)測速編碼器9檢測電機(jī)7的轉(zhuǎn)速ωf。
仍見圖1，數(shù)據(jù)信號處理器DSP 8包括坐標(biāo)變換單元1、磁鏈計算單元2、轉(zhuǎn)矩計算單元3、磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元4和開關(guān)表5。
坐標(biāo)變換單元1用于將檢測得的電機(jī)7的電流信號、電壓信號分別從abc坐標(biāo)系變換到αβ定子坐標(biāo)軸系(見圖2)，以輸出定子電流信號和定子電壓信號。
磁鏈計算單元2用于根據(jù)來自坐標(biāo)變換單元1的定子電流信號計算出電機(jī)7的定子磁鏈Ψs；同時根據(jù)來自坐標(biāo)變換單元1的定子電流信號和定子電壓信號計算出定子磁鏈Ψs的幅值|Ψs|及定子磁鏈Ψs的分量Ψα和Ψβ；然后，根據(jù)來自坐標(biāo)變換單元1的定子電流信號、所述Ψα和Ψβ計算出定子磁鏈Ψs與abc坐標(biāo)系的a軸之間的夾角θ。
轉(zhuǎn)矩計算單元3用于根據(jù)來自磁鏈計算單元2的所述Ψα和Ψβ計算出電機(jī)7的定子轉(zhuǎn)矩Te。
見圖3-4，磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元4用于將來自磁鏈計算單元2的定子磁鏈Ψs和來自轉(zhuǎn)矩計算單元3的定子轉(zhuǎn)矩Te分別與參考值Ψs*和T*e相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的6kHz的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ和6kHz的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ。
開關(guān)表5用于根據(jù)來自磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元4的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ和來自磁鏈計算單元2的定子磁鏈Ψs及夾角θ，得出一相應(yīng)的電壓矢量Sabc，并由數(shù)字信號處理器8的PWM控制輸出端輸出一相應(yīng)的高頻開關(guān)信號。
逆變器單元6用于根據(jù)來自開關(guān)表5的所述高頻開關(guān)信號控制逆變器6，以使逆變器6控制電機(jī)7的轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。
見圖7，上述的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)的工作方法，包括A、坐標(biāo)變換單元1檢測電機(jī)7的電流信號ia、ib和ic、電壓信號ua、ub和uc，后將該電流信號ia、ib和ic和電壓信號ua、ub和uc從abc坐標(biāo)系變換到αβ定子坐標(biāo)軸系，以輸出定子電流信號iα和iβ、定子電壓信號uα和uβ至磁鏈計算單元2；其中，ua、ub和uc是根據(jù)測得的Udc結(jié)合開關(guān)表5，按如下表格得出的

B、磁鏈計算單元2根據(jù)所述電流信號iα和iβ計算出電機(jī)7的定子磁鏈Ψs；同時根據(jù)所述電流信號iα和iβ和定子電壓信號uα和uβ計算出定子磁鏈Ψs的幅值|Ψs|及定子磁鏈Ψs的分量Ψα和Ψβ；然后，根據(jù)所述iα和iβ、所述Ψα和Ψβ計算出定子磁鏈Ψs與abc坐標(biāo)系的a軸之間的夾角θ；C、轉(zhuǎn)矩計算單元3根據(jù)所述定子電流信號iα和iβ和來自磁鏈計算單元2的所述Ψα和Ψβ計算出電機(jī)7的定子轉(zhuǎn)矩Te；D、磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元4將來自磁鏈計算單元2的定子磁鏈Ψs和來自轉(zhuǎn)矩計算單元3的定子轉(zhuǎn)矩Te分別與參考值Ψs*和T*e相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ；轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ為均為6kHz的高頻方波信號(其他實施例中，可以是4、5、8或10kHz，該頻率越高，轉(zhuǎn)矩脈動幅度就越小。)。
E、開關(guān)表5根據(jù)來自磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元4的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ和來自磁鏈計算單元2的定子磁鏈Ψs及夾角θ，得出一相應(yīng)的電壓矢量Sabc，并由數(shù)字信號處理器8的PWM控制輸出端輸出一相應(yīng)的高頻開關(guān)信號。
F、逆變器單元6根據(jù)來自開關(guān)表5的所述高頻開關(guān)信號控制逆變器6，以使逆變器6控制電機(jī)7的轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。
見圖4、圖6和圖8，在磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元4中，當(dāng)所述定子轉(zhuǎn)矩Te相對于轉(zhuǎn)矩參考值T*e達(dá)到滯環(huán)上限Te*+ΔTe時，磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元4輸出相應(yīng)的磁鏈調(diào)節(jié)信號到開關(guān)表5，開關(guān)表5得出相應(yīng)的電壓矢量并輸出相應(yīng)的高頻開關(guān)信號，經(jīng)逆變器6控制電機(jī)7，以使電機(jī)7定子轉(zhuǎn)矩變??；反之，當(dāng)所述定子轉(zhuǎn)矩Te相對于轉(zhuǎn)矩參考值T*e達(dá)到滯環(huán)下限Te*-ΔTe時，磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元4輸出另一相應(yīng)的磁鏈調(diào)節(jié)信號到開關(guān)表5，開關(guān)表5得出另一相應(yīng)的電壓矢量并輸出另一相應(yīng)的高頻開關(guān)信號，經(jīng)逆變器6控制電機(jī)7，以使電機(jī)7定子轉(zhuǎn)矩變大。
測速編碼器9檢測電機(jī)7的轉(zhuǎn)速ωf；所述轉(zhuǎn)矩參考值T*e由預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速參考值ω*與所述轉(zhuǎn)速ωf之差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器(即比例積分調(diào)節(jié)器)后得到。
自開關(guān)表5輸出的高頻開關(guān)信號(頻率是固定的，一般為16khz)由DSP8的PWM控制輸出端送至逆變器單元6的控制信號輸入端，以使逆變器6輸出所述相應(yīng)的電壓矢量Sabc(Sabc具有初始值，ua、ub和uc的效果就是空間電壓矢量Sabc)，并控制電機(jī)7的轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。
見圖6(c)圖8(c)，采用高頻化后的直接轉(zhuǎn)矩控制，放棄了滯環(huán)比較器，減少了系統(tǒng)相位滯后，對于系統(tǒng)偏差高頻輸出控制量，細(xì)化了調(diào)節(jié)時間，且正向負(fù)向調(diào)節(jié)時間t3、t4是均勻的。控制容差的大小，取決于頻率控制器，因此，只要通過控制開關(guān)頻率，便能控制轉(zhuǎn)矩的容差的大小，從而能夠控制轉(zhuǎn)矩脈動的大小。
權(quán)利要求
1.一種直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)，其特征在于包括坐標(biāo)變換單元(1)用于將檢測得的電機(jī)(7)的電流信號、電壓信號分別從abc坐標(biāo)系變換到αβ定子坐標(biāo)軸系，以輸出定子電流信號和定子電壓信號；磁鏈計算單元(2)用于根據(jù)來自坐標(biāo)變換單元(1)的定子電流信號計算出電機(jī)(7)的定子磁鏈Ψs；同時根據(jù)來自坐標(biāo)變換單元(1)的定子電流信號和定子電壓信號計算出定子磁鏈Ψs的幅值|Ψs|及定子磁鏈Ψs的分量Ψα和Ψβ；然后，根據(jù)來自坐標(biāo)變換單元(1)的定子電流信號、所述Ψα和Ψβ計算出定子磁鏈Ψs與abc坐標(biāo)系的a軸之間的夾角θ；轉(zhuǎn)矩計算單元(3)用于根據(jù)所述定子電流信號和來自磁鏈計算單元(2)的所述Ψα和Ψβ計算出電機(jī)(7)的定子轉(zhuǎn)矩Te；磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4)用于將來自磁鏈計算單元(2)的定子磁鏈Ψs和來自轉(zhuǎn)矩計算單元(3)的定子轉(zhuǎn)矩Te分別與參考值Ψs*和T*e相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的頻率為4-8kHz的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ；開關(guān)表(5)用于根據(jù)來自磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4)的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ和來自磁鏈計算單元(2)的定子磁鏈Ψs及夾角θ，確定一個對應(yīng)的電壓空間矢量Sabc輸出；逆變器單元(6)用于根據(jù)來自開關(guān)表(5)的所述電壓空間矢量控制逆變器(6)，以使逆變器(6)控制電機(jī)(7)的轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)，其特征在于磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4)包括轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4-1)和磁鏈滯環(huán)控制單元(4-2)；在轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4-1)中，當(dāng)所述定子轉(zhuǎn)矩Te相對于轉(zhuǎn)矩參考值T*e達(dá)到滯環(huán)上限Te*+ΔTe時，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4-1)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ到開關(guān)表(5)，開關(guān)表(5)得出相應(yīng)的電壓矢量并輸出相應(yīng)的高頻開關(guān)信號，經(jīng)逆變器(6)控制電機(jī)(7)，以使電機(jī)(7)定子轉(zhuǎn)矩變小；反之，當(dāng)所述定子轉(zhuǎn)矩Te相對于轉(zhuǎn)矩參考值T*e達(dá)到滯環(huán)下限Te*-ΔTe時，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4)輸出另一相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ到開關(guān)表(5)，開關(guān)表(5)得出另一相應(yīng)的電壓矢量并輸出另一相應(yīng)的高頻開關(guān)信號，經(jīng)逆變器(6)控制電機(jī)(7)，以使電機(jī)(7)定子轉(zhuǎn)矩變大；在磁鏈滯環(huán)控制單元(4-2)中，當(dāng)所述定子磁鏈Ψs相對于磁鏈參考值Ψ*s達(dá)到滯環(huán)上限Ψs*+ε/2時，磁鏈滯環(huán)控制單元(4-2)輸出相應(yīng)的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ到開關(guān)表(5)，開關(guān)表(5)得出相應(yīng)的電壓空間矢量并輸出相應(yīng)的高頻開關(guān)信號，經(jīng)逆變器(6)控制電機(jī)(7)，以使電機(jī)(7)磁鏈變?。环粗?，當(dāng)所述定子磁鏈Ψs相對于磁鏈參考值Ψ*s達(dá)到滯環(huán)下限Ψs*-ε/2時，磁鏈滯環(huán)控制單元(4-2)輸出另一相應(yīng)的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ到開關(guān)表(5)，開關(guān)表(5)得出另一相應(yīng)的電壓空間矢量并輸出另一相應(yīng)的高頻開關(guān)信號，經(jīng)逆變器(6)控制電機(jī)(7)，以使電機(jī)(7)定子磁鏈變大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)，其特征在于還包括用于檢測電機(jī)(7)的轉(zhuǎn)速ωf的測速編碼器(9)；所述轉(zhuǎn)矩參考值T*e由預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速參考值ω*與所述轉(zhuǎn)速ωf之差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)，其特征在于坐標(biāo)變換單元(1)、磁鏈計算單元(2)、轉(zhuǎn)矩計算單元(3)、磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4)和開關(guān)表(5)設(shè)置于數(shù)字信號處理器(8)中；數(shù)字信號處理器(8)具有PWM控制輸出端，用于將開關(guān)表(5)輸出的高頻開關(guān)信號即PWM信號經(jīng)功率驅(qū)動電路(10)送至逆變器單元(6)的控制信號輸入端；數(shù)字信號處理器(8)具有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端，用于經(jīng)信號處理電路(11)檢測電機(jī)(7)的電流信號、電壓信號；數(shù)字信號處理器(8)具有CAP轉(zhuǎn)速捕獲輸入端，用于經(jīng)測速編碼器(9)檢測電機(jī)(7)的轉(zhuǎn)速ωf。
5.上述的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)的工作方法，包括如下步驟A、坐標(biāo)變換單元(1)檢測電機(jī)(7)的電流信號、電壓信號，后將該電流信號和電壓信號從abc坐標(biāo)系變換到αβ定子坐標(biāo)軸系，以輸出定子電流信號iα和iβ、定子電壓信號uα和uβ至磁鏈計算單元(2)；B、磁鏈計算單元(2)根據(jù)所述定子電流信號iα和iβ計算出電機(jī)(7)的定子磁鏈Ψs；同時根據(jù)所述電流信號iα和iβ和定子電壓信號uα和uβ計算出定子磁鏈Ψs的幅值|Ψs|及定子磁鏈Ψs的分量Ψα和Ψβ；然后，根據(jù)所述iα和iβ、所述Ψα和Ψβ計算出定子磁鏈Ψs與abc坐標(biāo)系的a軸之間的夾角θ；C、轉(zhuǎn)矩計算單元(3)根據(jù)所述定子電流信號iα和iβ和來自磁鏈計算單元(2)的所述Ψα和Ψβ計算出電機(jī)(7)的定子轉(zhuǎn)矩Te；D、磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4)將來自磁鏈計算單元(2)的定子磁鏈Ψs和來自轉(zhuǎn)矩計算單元(3)的定子轉(zhuǎn)矩Te分別與參考值Ψs*和T*e相比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ；磁鏈調(diào)節(jié)信號τ和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ均為4-8kHz的高頻方波信號；E、開關(guān)表(5)根據(jù)來自磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4)的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ和來自磁鏈計算單元(2)的定子磁鏈Ψs及夾角θ，得出一相應(yīng)的電壓矢量Sabc，并輸出一相應(yīng)的高頻開關(guān)信號；F、逆變器單元(6)根據(jù)來自開關(guān)表(5)的所述高頻開關(guān)信號控制逆變器(6)，以使逆變器(6)控制電機(jī)(7)的轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于所述步驟A-E的執(zhí)行頻率為4-8kHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于在轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4-1)中，當(dāng)所述定子轉(zhuǎn)矩Te相對于轉(zhuǎn)矩參考值T*e達(dá)到滯環(huán)上限Te*+ΔTe時，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4-1)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ到開關(guān)表(5)，開關(guān)表(5)得出相應(yīng)的電壓矢量并輸出相應(yīng)的高頻開關(guān)信號，經(jīng)逆變器(6)控制電機(jī)(7)，以使電機(jī)(7)定子轉(zhuǎn)矩變??；反之，當(dāng)所述定子轉(zhuǎn)矩Te相對于轉(zhuǎn)矩參考值T*e達(dá)到滯環(huán)下限Te*-ΔTe時，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元(4)輸出另一相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)信號Φ到開關(guān)表(5)，開關(guān)表(5)得出另一相應(yīng)的電壓矢量并輸出另一相應(yīng)的高頻開關(guān)信號，經(jīng)逆變器(6)控制電機(jī)(7)，以使電機(jī)(7)定子轉(zhuǎn)矩變大；在磁鏈滯環(huán)控制單元(4-2)中，當(dāng)所述定子磁鏈Ψs相對于磁鏈參考值Ψ*s達(dá)到滯環(huán)上限Ψs*+ε/2時，磁鏈滯環(huán)控制單元(4-2)輸出相應(yīng)的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ到開關(guān)表(5)，開關(guān)表(5)得出相應(yīng)的電壓空間矢量并輸出相應(yīng)的高頻開關(guān)信號，經(jīng)逆變器(6)控制電機(jī)(7)，以使電機(jī)(7)磁鏈變小；反之，當(dāng)所述定子磁鏈Ψs相對于磁鏈參考值Ψ*s達(dá)到滯環(huán)下限Ψs*-ε/2時，磁鏈滯環(huán)控制單元(4-2)輸出另一相應(yīng)的磁鏈調(diào)節(jié)信號τ到開關(guān)表(5)，開關(guān)表(5)得出另一相應(yīng)的電壓空間矢量并輸出另一相應(yīng)的高頻開關(guān)信號，經(jīng)逆變器(6)控制電機(jī)(7)，以使電機(jī)(7)定子磁鏈變大。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于測速編碼器(9)檢測電機(jī)(7)的轉(zhuǎn)速ωf；所述轉(zhuǎn)矩參考值T*e由預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速參考值ω*與所述轉(zhuǎn)速ωf之差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后得到。
9.根據(jù)權(quán)利要求8之一所述的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于自開關(guān)表(5)輸出的高頻開關(guān)信號經(jīng)PWM控制輸出端送至逆變器單元(6)的控制信號輸入端，以使逆變器(6)控制電機(jī)(7)的轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)及其工作方法；該控制器包括坐標(biāo)變換單元、磁鏈計算單元、轉(zhuǎn)矩計算單元、磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元、開關(guān)表和逆變器單元；本發(fā)明的直接轉(zhuǎn)矩?zé)o刷直流伺服控制系統(tǒng)中，磁鏈及轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制單元用于將來自磁鏈計算單元的定子磁鏈Ψ
文檔編號H02P6/00GK101056084SQ200710020510
公開日2007年10月17日 申請日期2007年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月7日
發(fā)明者戈建鳴, 陳冠華, 王云寬, 范國梁, 仇維斌, 劉振彬, 王建新 申請人:今創(chuàng)集團(tuán)有限公司, 王云寬, 范國梁