一種無速度傳感器永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無速度傳感器的永磁同步電機(jī)高精度調(diào)速控制方法，屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明通過無速度傳感器算法計算實(shí)時的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速ω*±ω1范圍內(nèi)時，使用以下高精度調(diào)速方法進(jìn)行調(diào)速：以電流環(huán)作為控制的內(nèi)環(huán)，對電機(jī)的三相電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)速環(huán)、功角環(huán)作為外環(huán)，誤差量通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，輸出值作為內(nèi)環(huán)的電流給定值的幅值、相位信息；按照電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速輸出恒定的頻率信息作為內(nèi)環(huán)的電流給定值的頻率；按電流給定值的頻率、相位、幅值信息，輸出對應(yīng)的三相正弦信號，作為電流環(huán)的給定輸入。對比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法簡單易施，能夠?qū)崿F(xiàn)永磁同步電機(jī)在無速度傳感器的方式下，進(jìn)行較高精度的調(diào)速。
【專利說明】
一種無速度傳感器永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法，屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]高精度調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，許多現(xiàn)代測試計量系統(tǒng)都需要一個高精度的轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)作為驅(qū)動裝置。永磁同步電機(jī)具有效率高、功率因數(shù)高、體積小、價格低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種場合。由于永磁同步電機(jī)具有多變量、 強(qiáng)耦合、非線性的特點(diǎn)，系統(tǒng)參數(shù)變化以及負(fù)載的擾動會影響系統(tǒng)的性能，故高精度的調(diào)速系統(tǒng)對于電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置有著精確的要求。
[0003]隨著微控制器的發(fā)展，永磁同步電機(jī)的無速度傳感器調(diào)速方法得到了更多的研究。無速度傳感器的控制方法大大簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本，并且安裝維護(hù)方便， 目前應(yīng)用越來越廣。
[0004]目前，永磁同步電機(jī)通常的控制方法主要有恒壓頻比控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等等。這些方法各有特點(diǎn)，但普遍存在著控制運(yùn)算量大、存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動的問題，使得永磁同步電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)速。在航空航天、測試計量等對精度要求較高的領(lǐng)域中，通常需要利用高精度調(diào)速系統(tǒng)得到一個可靠的轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)。因此，目前迫切需要一種永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有永磁同步電機(jī)控制方法調(diào)速精度不高的問題，提供了一種無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速方法，該方法通過在電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速附近時，切換至該方法控制，可使電機(jī)在此給定轉(zhuǎn)速下，以較高的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性運(yùn)行。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一、系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測永磁同步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速《達(dá)到給定轉(zhuǎn)速《 * ± ? 1范圍內(nèi)后，由通常的永磁同步電機(jī)控制方法切換至高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的控制方法，即轉(zhuǎn)步驟二；
[0009]步驟二、在穩(wěn)速控制中，采用電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)、功角環(huán)作為外環(huán)，輸出幅值、相位信息，與給定的恒定頻率信息合成，得到三相正弦信號作為電流環(huán)的給定值。
[0010]進(jìn)一步，在步驟一中，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速W由無速度傳感器算法進(jìn)行計算得到。
[0011]進(jìn)一步，在步驟一中，使用高精度調(diào)速方法的切換范圍由co:確定，根據(jù)不同的工作條件與用途，可以選擇不同的值。
[0012]進(jìn)一步，在步驟二中，所述給定的恒定頻率信息為電機(jī)給定機(jī)械轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的電頻率信息。
[0013]進(jìn)一步，步驟二中所述幅值、相位信息，與給定的恒定頻率信息合成為將得到的電流幅值、相位、頻率信息為通過正弦生成模塊進(jìn)行合成，輸出三相正弦信號，具體表示如下:
[0014]iA*=Asin( ?t+9)
[0015]iB*=Asin( ? t+9-120。)
[0016]ic*=Asin( ? t+9+120。)
[0017]其中，《、A、0分別表示輸入的頻率、幅值、相位信息。
[0018]進(jìn)一步，步驟二中所述電流環(huán)為將所述合成后的三相正弦信號作為電流環(huán)的三相給定電流i A*、i B*、i C*與采集到的三相實(shí)際電流i a、i B、i C進(jìn)行比較，形成誤差量，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)，輸出至電機(jī)驅(qū)動電路，由電機(jī)驅(qū)動電路將ACR的輸出轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機(jī)的三相電壓ua、ub、uc;所述轉(zhuǎn)速環(huán)為將給定轉(zhuǎn)速co*與實(shí)際轉(zhuǎn)速《進(jìn)行比較，形成誤差量，經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)，輸出電流幅值信息;所述功角環(huán)為將給定功角與實(shí)際功角進(jìn)行比較， 形成誤差量，經(jīng)過功角調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)，輸出電流相位信息。[〇〇19] 進(jìn)一步，所述電流調(diào)節(jié)器ACR、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、功角調(diào)節(jié)器ASR均采用采用帶限幅的比例積分調(diào)節(jié)器。
[0020]進(jìn)一步，所述將給定功角與實(shí)際功角進(jìn)行比較轉(zhuǎn)換為給定A相電流相位0*與電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置9進(jìn)行比較，以簡化計算，同時獲得最大電磁轉(zhuǎn)矩輸出。
[0021]有益效果
[0022]對比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法在硬件方面不需要速度傳感器或位置傳感器，簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本。通過此方法，永磁同步電機(jī)能夠以較高的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性運(yùn)行在給定轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了高精度調(diào)速。【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明實(shí)施例無速度傳感器的永磁同步電機(jī)高精度調(diào)速方法的結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇24]圖2是圖1中正弦生成模塊的具體實(shí)施方法示意圖；
[0025]圖3為采用本發(fā)明實(shí)施例所述高精度調(diào)速方法下的電機(jī)轉(zhuǎn)速波動散點(diǎn)示意圖。 【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步的說明。
[0027]如圖1所示為無速度傳感器的永磁同步電機(jī)高精度調(diào)速方法的結(jié)構(gòu)示意圖。[0〇28] 對永磁同步電機(jī)的三相電流iA、iB、ic和電壓UA、UB、UC進(jìn)行采集，通過無速度傳感器算法進(jìn)行計算，如圖中轉(zhuǎn)速、位置計算模塊所示，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速C0、轉(zhuǎn)子位置信息0。本實(shí)施例中，無速度傳感器算法采用基于電機(jī)數(shù)學(xué)模型的估算方法，本實(shí)施例中電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速U由采集得到的單相反電勢信號的兩相鄰上升沿的時間差計算得到，單相反電勢信號由該相相電壓減去該相阻抗壓降得到。當(dāng)然，無速度傳感器算法的選擇不限于此，只要能夠?qū)崿F(xiàn)估算電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置功能即可。[0〇29] 對電機(jī)轉(zhuǎn)速〇進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)轉(zhuǎn)速〇處于給定轉(zhuǎn)速〇 *± 〇 1范圍內(nèi)時，認(rèn)為電機(jī)運(yùn)行接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，使用高精度調(diào)速方法進(jìn)行控制；當(dāng)轉(zhuǎn)速W處于給定轉(zhuǎn)速〇 * ± 〇:范圍之外時，使用通常的控制方法對電機(jī)進(jìn)行控制；即切換范圍由確定，根據(jù)不同的工作條件與用途，可以選擇不同的值。
[0030]控制部分采用電流環(huán)作為內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)、功角環(huán)作為外環(huán)，輸出幅值、相位信息;將幅值、相位信息與給定的恒定的頻率信息，通過正弦生成模塊，輸出三相正弦信號。得到的三相正弦信號作為電流環(huán)的給定值。
[0031]電流環(huán)的具體說明如下:對電機(jī)的三相電流“、4、4進(jìn)行采集，作為電流環(huán)的實(shí)際反饋值；由正弦生成模塊發(fā)出的iA*、iB*、ic*作為電流環(huán)的給定值;將給定值與實(shí)際值作差后，將誤差值輸入至電流調(diào)節(jié)器ACR中，電流調(diào)節(jié)器輸出信號至電機(jī)驅(qū)動電路，由電機(jī)驅(qū)動電路將ACR的輸出轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機(jī)的三相電壓UA、UB、UC;本實(shí)施例中，電流調(diào)節(jié)器采用帶限幅的比例積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)然，電流調(diào)節(jié)器的選擇不限于此，只要能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際電流值快速跟隨給定電流值的功能即可。
[0032]轉(zhuǎn)速環(huán)的具體說明如下:通過無速度傳感器算法得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速作為轉(zhuǎn)速環(huán)的實(shí)際反饋值;給定轉(zhuǎn)速作為轉(zhuǎn)速環(huán)的給定值;將給定值與實(shí)際值作差后，輸入至轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出給定電流幅值信號至正弦生成模塊;本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用帶限幅的比例積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)然，電流調(diào)節(jié)器的選擇不限于此，只要能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)速跟隨給定轉(zhuǎn)速的功能即可。[〇〇33]功角環(huán)的具體說明如下:功角環(huán)的給定值取值為90°，將給定值S*與實(shí)際值M乍差后，輸入至功角調(diào)節(jié)器ASR中，功角調(diào)節(jié)器輸出給定電流相位信號i*相立至正弦生成模塊； 本實(shí)施例中，功角調(diào)節(jié)器采用帶限幅的比例積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)然，功角調(diào)節(jié)器的選擇不限于此，只要能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際功角跟隨給定功角的功能即可。其中，給定功角S*為90°時，給定功角 S*與實(shí)際功角S之差等于給定A相電流相位0*與電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置0之差。因此，功角調(diào)節(jié)器的輸入量可用0*與0之差替代，從而簡化計算。由于S = 90°時電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te最大，所以功角環(huán)的作用為將電機(jī)的實(shí)際功角向90°調(diào)節(jié)，從而獲得最大電磁轉(zhuǎn)矩輸出。
[0034]給定頻率模塊根據(jù)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速，發(fā)送固定的與給定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電流頻率信號摔至正弦生成模塊。
[0035]將給定頻率、轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出值、功角環(huán)的輸出值，即給定電流i*的頻率、幅值、相位信息，輸入至正弦生成模塊。由正弦生成模塊產(chǎn)生三相正弦信號，作為電流給定值送至電流環(huán)。如圖2所示，輸入的頻率、幅值、相位以、A、0表示，則輸出的三相正弦信號可表示為:
[0036]iA*=Asin( ?t+9)
[0037]iB*=Asin( ? t+9-120。)
[0038]ic*=Asin( ? t+9+120。)
[0039]圖3為采用上述本發(fā)明實(shí)施例高精度調(diào)速方法下的電機(jī)轉(zhuǎn)速波動散點(diǎn)示意圖。其中給定轉(zhuǎn)速為12000rpm，實(shí)際轉(zhuǎn)速波動的峰-峰值為1.8rpm，相對轉(zhuǎn)速波動小于1.5*10_4。通過查閱文獻(xiàn)可知，采用通?？刂品椒ㄏ碌碾姍C(jī)相對轉(zhuǎn)速波動通常在1〇_3以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本發(fā)明相對于現(xiàn)有永磁同步電機(jī)控制方法，調(diào)速精度有所提高。
[0040]以上實(shí)施例僅供說明本發(fā)明，并不用以限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解， 凡在本發(fā)明的形式上和細(xì)節(jié)上對其作出的任何改變，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟一、實(shí)時檢測永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速《達(dá)到給定轉(zhuǎn)速《*± ?1范圍內(nèi)時，轉(zhuǎn)步驟二使用高精度調(diào)速方法進(jìn)行調(diào)速;否則，使用通常的永磁同步電機(jī)控制方法對電機(jī) 進(jìn)行控制；步驟二、在穩(wěn)速控制中，采用電流環(huán)作為內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)、功角環(huán)作為外環(huán)，輸出幅值、相 位信息，與給定的恒定頻率信息合成，得到三相正弦信號作為電流環(huán)的給定值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法，其特 征在于:所述步驟一中的永磁同步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速《由無速度傳感器算法計算得到。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法，其特 征在于:所述無速度傳感器算法的具體計算方式為由采集得到的單相反電勢信號的兩相鄰 上升沿的時間差計算得到，單相反電勢信號由該相相電壓減去該相阻抗壓降得到。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法，其特 征在于:所述步驟一中，使用高精度調(diào)速方法的切換范圍由on確定，根據(jù)不同的工作條件 與用途，可以選擇不同的值。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法，其特 征在于:步驟二中所述給定的恒定頻率信息為電機(jī)給定機(jī)械轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的電頻率信息。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法，其特 征在于:步驟二中所述幅值、相位信息，與給定的恒定頻率信息合成為將得到的電流幅值、 相位、頻率信息為通過正弦生成模塊進(jìn)行合成，輸出三相正弦信號，具體表示如下:iA*=A sin( ?t+9)iB*=A sin( ? t+9-120〇)ic*=A sin( ? t+9+120〇)其中，《、A、9分別表示輸入的頻率、幅值、相位信息。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方 法，其特征在于:步驟二中所述電流環(huán)為將所述合成后的三相正弦信號作為電流環(huán)的三相 給定電流i a*、i b*、i c*與采集到的三相實(shí)際電流i a、i b、i c進(jìn)行比較，形成誤差量，經(jīng)過電流調(diào) 節(jié)器ACR的調(diào)節(jié)，輸出至電機(jī)驅(qū)動電路，由電機(jī)驅(qū)動電路將ACR的輸出轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機(jī)的三 相電壓ua、ub、uc;所述轉(zhuǎn)速環(huán)為將給定轉(zhuǎn)速co*與實(shí)際轉(zhuǎn)速《進(jìn)行比較，形成誤差量，經(jīng)過轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)，輸出電流幅值信息;所述功角環(huán)為將給定功角與實(shí)際功角進(jìn)行比較， 形成誤差量，經(jīng)過功角調(diào)節(jié)器ASR的調(diào)節(jié)，輸出電流相位信息。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法，其特 征在于:所述電流調(diào)節(jié)器ACR、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、功角調(diào)節(jié)器ASR均采用采用帶限幅的比例積 分調(diào)節(jié)器。9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法，其 特征在于:所述將給定功角與實(shí)際功角進(jìn)行比較轉(zhuǎn)換為給定A相電流相位0*與電機(jī)的轉(zhuǎn)子 位置9進(jìn)行比較，以簡化計算，同時獲得最大電磁轉(zhuǎn)矩輸出。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的無速度傳感器的永磁同步電機(jī)的高精度調(diào)速控制方法，其特 征在于:所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置9由無速度傳感器算法計算得到。
【文檔編號】H02P6/17GK105958875SQ201610369302
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】高聰哲, 劉向東, 陳曦, 陳振
【申請人】北京理工大學(xué)