本發(fā)明涉及電動舵機(jī)伺服系統(tǒng)的電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種永磁同步電動舵機(jī)系統(tǒng)弱磁控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)如今戰(zhàn)術(shù)武器電動舵機(jī)系統(tǒng)普遍采用直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)舵機(jī)用無刷直流電機(jī)系統(tǒng)位置-電流雙閉環(huán)加“偽速度環(huán)”的控制方式。傳統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩電流比(id＝0)控制方案，由于逆變器直流側(cè)電壓限制，存在積分飽和，當(dāng)輕負(fù)載運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為額定轉(zhuǎn)速，功率有富余，對于彈用舵系統(tǒng)能源一次性消耗的特點(diǎn)來說，此時(shí)的富余功率是浪費(fèi)的，無法最大限度利用彈上能源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種永磁同步電動舵機(jī)系統(tǒng)弱磁控制方法，針對導(dǎo)彈一次性消耗的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)系統(tǒng)在功率富余情況下的弱磁增速，提高了舵機(jī)系統(tǒng)的高頻動態(tài)響應(yīng)速度。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種永磁同步電動舵機(jī)系統(tǒng)弱磁控制方法，包含以下步驟：提取電機(jī)直軸和交軸的電壓飽和量，基于電壓反饋的電流補(bǔ)償弱磁分配策略對電流環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)弱磁升速；

所述的電機(jī)直軸和交軸的電壓飽和量為：

其中，ud、uq分別為電機(jī)直軸d軸和電機(jī)交軸q軸電流積分形成的電壓量，udc為逆變器直流側(cè)供電電壓；k為可調(diào)參數(shù)；

電機(jī)直軸電流補(bǔ)償量：

電機(jī)交軸電流補(bǔ)償量：

其中，is為速度環(huán)輸出的電流量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、考慮了彈用能源一次性消耗，無需回收的特殊性，充分利用了彈上能源。

2、挖掘了永磁同步電動舵機(jī)系統(tǒng)的潛能，拓寬了電動舵機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速限制。

3、實(shí)現(xiàn)了電動舵機(jī)在普通區(qū)域與弱磁恒功率區(qū)域的平滑切換。

4、改善了彈用電動舵機(jī)系統(tǒng)在輕負(fù)載情況下的能源利用率，提升了電動舵機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

附圖說明

圖1是表貼式永磁同步電機(jī)矢量電流軌跡。

圖2是電壓反饋弱磁控制框圖。

圖3是采用弱磁控制方法后的轉(zhuǎn)速波形。

圖4是采用弱磁控制方法后的電流波形。

具體實(shí)施方式

以下根據(jù)圖1～圖4，具體說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例。

表貼式永磁同步電機(jī)(spmsm)具有體積小、質(zhì)量轉(zhuǎn)矩比大、控制精度高的特點(diǎn)，非常適合現(xiàn)代航天工業(yè)對電機(jī)系統(tǒng)輕質(zhì)小型化的要求，尤其是適合高精度電動舵機(jī)伺服控制領(lǐng)域。

本發(fā)明提供一種永磁同步電動舵機(jī)系統(tǒng)弱磁控制方法，包含以下步驟：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過電機(jī)額定最高轉(zhuǎn)速時(shí)，提取電機(jī)直軸和交軸的電壓飽和量，基于電壓反饋的電流補(bǔ)償弱磁分配策略對電流環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)弱磁升速。

具體來說，永磁同步電機(jī)的弱磁控制思想來源于他勵(lì)直流電動機(jī)的弱磁增速。但是由于在永磁同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁場是由永磁體產(chǎn)生，只能通過增加定子直軸的去磁分量來模擬他勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而實(shí)現(xiàn)弱磁增速。

特別的，表貼式永磁同步電機(jī)凸極率接近于1(ρ＝1)，故可認(rèn)為直軸d軸電感等于交軸q軸電感，lq＝ld。

其中，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速；u為逆變器直流側(cè)電壓；ρ為電機(jī)凸極率；ld為電機(jī)d軸等效電感；lq為電機(jī)q軸等效電感；id為電機(jī)d軸等效電流；iq為電機(jī)q軸等效電流；ψf為電機(jī)永磁體磁鏈。

由上式(1)可知，當(dāng)電動機(jī)端電壓達(dá)到逆變器輸出電壓的極限值時(shí)，即u＝umax，且電感與磁鏈基本保持不變時(shí)，要想繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，可以采取以下兩種方式：

1、增加電機(jī)的直軸電流id，使直軸產(chǎn)生去磁分量，且滿足ldid+ψf≥0(id<0)；

2、減少電機(jī)的交軸電流iq。

但由于電動機(jī)的相電流滿足電流極限圓的關(guān)系，上述兩種方法無法完全獨(dú)立使用，即在增加直軸去磁分量電流時(shí)，相應(yīng)的需要減小交軸電流分量。這兩種方式相互配合，確保電機(jī)電流矢量運(yùn)行在電流極限圓內(nèi)，以獲得“弱磁”增速效果。

其中，umax為電機(jī)提供的最大電壓；imax為電機(jī)速度環(huán)輸出的最大電流；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

式(2)為永磁同步電機(jī)矢量控制的電壓極限橢圓與電流極限圓方程，由此可得到表貼式永磁同步電機(jī)矢量電流軌跡如圖1所示，由于表貼式永磁同步電動舵機(jī)的特殊性，此時(shí)電壓極限橢圓變?yōu)殡妷簶O限圓。以給定轉(zhuǎn)速指令超過額定轉(zhuǎn)速為例進(jìn)行說明。當(dāng)電機(jī)從靜止開始啟動，在d軸電流id＝0的控制模式下，轉(zhuǎn)速逐漸達(dá)到額定轉(zhuǎn)速ω1，此時(shí)電機(jī)工作點(diǎn)為圖中點(diǎn)a，a點(diǎn)為表貼式永磁同步電機(jī)電流極限圓與電壓極限圓的交點(diǎn)，對應(yīng)的定子電壓和電流都已達(dá)到了極限值。此時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩te1為電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下可以輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩，te1＝1.5npψfiq1≥tl，其中np為電機(jī)極對數(shù)、iq1為此轉(zhuǎn)速下q軸的輸出電流，tl為電機(jī)所需負(fù)載力矩。由于給定轉(zhuǎn)速ω2大于額定轉(zhuǎn)速，如果仍然使用id＝0控制方式，圖中最大轉(zhuǎn)矩/電流比軌跡在b點(diǎn)與電壓極限圓相交，此時(shí)對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為te2＝1.5npψfiq2<tl，輸出電磁力矩小于負(fù)載力矩，無法維持給定轉(zhuǎn)速，故實(shí)際上此工作點(diǎn)并不存在。為了在滿足輸出電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載力矩的前提下，達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，將工作狀態(tài)從b點(diǎn)移到c點(diǎn)處，進(jìn)入弱磁控制區(qū)域，此時(shí)te3＝1.5npψfiq3≥tl。將b點(diǎn)移到c點(diǎn)，實(shí)際上是給d軸施加了去磁分量，從而實(shí)現(xiàn)了“弱磁”增速。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于某一轉(zhuǎn)速ω時(shí)，普通弱磁控制時(shí)的電流矢量曲線可表示為：

此時(shí)，對于某一大于額定轉(zhuǎn)速的給定速度ω，電機(jī)運(yùn)行在c點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩上，使電機(jī)可以以對應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行工作。在達(dá)到指令轉(zhuǎn)速之后，在速度控制器的作用下，電流矢量沿著電壓極限圓減小的方向移動，即向著輸出轉(zhuǎn)矩減小的方向移動至d點(diǎn)，此時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩te＝tl，輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡為電機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。

理論上的最大弱磁轉(zhuǎn)速為：

當(dāng)電機(jī)超過額定轉(zhuǎn)速之后，對于任意給定的指令轉(zhuǎn)速，在電壓極限圓上存在著一點(diǎn)，可以使電機(jī)工作在最大輸出功率狀態(tài)。

此時(shí)，電磁功率表達(dá)式為：

電機(jī)運(yùn)行于最大功率時(shí)有：

由此可得電機(jī)最大功率輸出時(shí)，電流矢量曲線為：

在輕負(fù)載情況下，電機(jī)直軸和交軸的電壓飽和量為：

其中，ud、uq分別為電機(jī)直軸d軸和電機(jī)交軸q軸電流積分形成的電壓量，udc為逆變器直流側(cè)供電電壓；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定最高轉(zhuǎn)速時(shí)，d、q軸電壓將突破逆變器直流側(cè)電壓限制，即uq²+ud²-udc²>0，此時(shí)電壓飽和量為s＝-k·((uq²+ud²)/udc²)，并對電流環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償；k為可調(diào)參數(shù)，參數(shù)k應(yīng)根據(jù)對象實(shí)際情況進(jìn)行選取，原則上k值選取越大弱磁控制效果越好。但由于電流極限圓的存在，k值取值過大將會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，k值取值過小弱磁效果不明顯；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于額定最高轉(zhuǎn)速時(shí)，d、q軸電壓未達(dá)到逆變器直流側(cè)電壓最大值，即uq²+ud²-udc²≤0，則電壓飽和量為s＝0，不對電流環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償。

為了充分利用彈上能源，電流補(bǔ)償策略如下：

電機(jī)直軸電流補(bǔ)償量：

電機(jī)交軸電流補(bǔ)償量：

其中，is為速度環(huán)輸出的電流量。

這種電流分配策略，兼顧了最大轉(zhuǎn)矩電流比控制(id＝0)與弱磁控制。同時(shí)充分利用了彈上能源，將輕負(fù)載情況下的富裕功率用于弱磁控制以提升電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，保證了舵機(jī)系統(tǒng)在兩種工況下的實(shí)時(shí)切換。

如圖2所示，本發(fā)明提供的一種永磁同步電動舵機(jī)系統(tǒng)弱磁控制方法由傳統(tǒng)的速度-電流雙閉環(huán)控制，結(jié)合基于電壓反饋的電流補(bǔ)償弱磁分配策略構(gòu)成。其中，速度調(diào)節(jié)器的輸入為轉(zhuǎn)速偏差ωr-ωf，ωr為轉(zhuǎn)速指令，ωf為轉(zhuǎn)速反饋，速度調(diào)節(jié)器的輸出為電流矢量is；弱磁控制器的輸入為電流矢量is，輸出電機(jī)直軸電流補(bǔ)償量b_id和電機(jī)交軸電流補(bǔ)償量b_iq；q軸電流調(diào)節(jié)器輸入q軸電流指令，輸出q軸等效電壓uq；d軸電流調(diào)節(jié)器輸入d軸電流指令，輸出d軸等效電壓ud；park逆變換模塊用于實(shí)現(xiàn)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系向兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，將d軸等效電壓ud和q軸等效電壓uq轉(zhuǎn)化為α、β軸電壓uα、uβ；svpwm(空間矢量)模塊通過svpwm算法計(jì)算得到功率管開關(guān)時(shí)序；三相逆變器用于接收svpwm算法計(jì)算得到的功率管開關(guān)時(shí)序，以驅(qū)使永磁同步電機(jī)(pmsm)逼近理想磁鏈圓，形成旋轉(zhuǎn)磁場；永磁同步電機(jī)本體(pmsm)接收三相逆變器輸出的三相控制電壓(電流)，可通過相應(yīng)傳感器輸出實(shí)際工作所需電流、電壓、轉(zhuǎn)速、位置、力矩信息；旋轉(zhuǎn)變壓器為位置傳感器，用于采集永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息(電流量)，并可處理后輸出轉(zhuǎn)速信息(電流量)；clack(3/2)變換模塊用于實(shí)現(xiàn)三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，將a、b、c三相電流ia、ib、ic轉(zhuǎn)化為α、β軸電流iα、iβ；park變換模塊將α、β軸電流iα、iβ轉(zhuǎn)換為d軸電流id和q軸電流iq。速度調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器采用常用的pid控制器進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。

在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，電流調(diào)節(jié)器一般使用pid控制器，由于積分的存在，電流矢量容易達(dá)到飽和，影響控制效率。從電機(jī)驅(qū)動本質(zhì)來講，積分飽和產(chǎn)生的主要原因是由于逆變器存在著極限電壓，受母線電壓限制。因此，為了解決這一問題，本申請將直軸去磁電流id與電機(jī)直流母線電壓構(gòu)建聯(lián)系，將電壓輸出差值作為電流反饋?zhàn)⑷氲诫娏鳝h(huán)中進(jìn)行弱磁控制，避免出現(xiàn)電流調(diào)節(jié)器積分飽和的情況。如圖2所示，將逆變器直流側(cè)電壓udc的有效值與電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓做差，額定轉(zhuǎn)速以下，電機(jī)端電壓未達(dá)到逆變器所提供的極限電壓，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制對于表貼式(id＝0)獲得最大電磁轉(zhuǎn)矩。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，電流調(diào)節(jié)器輸出的參考電壓ud和uq逐漸積累增加，超出極限電壓，此時(shí)對電壓反饋進(jìn)行函數(shù)處理產(chǎn)生負(fù)向電流注入d軸進(jìn)行補(bǔ)償，從而進(jìn)入弱磁運(yùn)行區(qū)。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，針對額定最高轉(zhuǎn)速為6000rpm的永磁同步電機(jī)，施加空載啟動，0.05s負(fù)載3n.m，初始給定轉(zhuǎn)速1500rpm，0.1s增速至7000rpm的指令。如圖3和圖4所示，采用弱磁分配策略之后，0.1s之后電機(jī)運(yùn)行突破最高轉(zhuǎn)速，d軸電流經(jīng)過補(bǔ)償變?yōu)樨?fù)值，實(shí)現(xiàn)了最高轉(zhuǎn)速的突破，并且兩種工作模式的切換平滑，速度曲線基本沒有波動。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、考慮了彈用能源一次性消耗，無需回收的特殊性，充分利用了彈上能源。

2、挖掘了永磁同步電動舵機(jī)系統(tǒng)的潛能，拓寬了電動舵機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速限制。

3、實(shí)現(xiàn)了電動舵機(jī)在普通區(qū)域與弱磁恒功率區(qū)域的平滑切換。

4、改善了彈用電動舵機(jī)系統(tǒng)在輕負(fù)載情況下的能源利用率，提升了電動舵機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。