永磁同步电动舵机系统弱磁控制方法技术方案

一种永磁同步电动舵机系统弱磁控制方法，提取电机直轴和交轴的电压饱和量，基于电压反馈的电流补偿弱磁分配策略对电流环进行补偿，实现永磁同步电机弱磁升速。本发明专利技术针对导弹一次性消耗的特点，实现了舵机系统在功率富余情况下的弱磁增速，提高了舵机系统的高频动态响应速度。

【技术实现步骤摘要】
永磁同步电动舵机系统弱磁控制方法
本专利技术涉及电动舵机伺服系统的电机控制
，尤其涉及一种永磁同步电动舵机系统弱磁控制方法。
技术介绍
现如今战术武器电动舵机系统普遍采用直流电机、无刷直流电机作为执行机构，传统舵机用无刷直流电机系统位置-电流双闭环加“伪速度环”的控制方式。传统的最大转矩电流比(id＝0)控制方案，由于逆变器直流侧电压限制，存在积分饱和，当轻负载运行时电机转速最大为额定转速，功率有富余，对于弹用舵系统能源一次性消耗的特点来说，此时的富余功率是浪费的，无法最大限度利用弹上能源。
技术实现思路
本专利技术提供一种永磁同步电动舵机系统弱磁控制方法，针对导弹一次性消耗的特点，实现了舵机系统在功率富余情况下的弱磁增速，提高了舵机系统的高频动态响应速度。为了达到上述目的，本专利技术提供一种永磁同步电动舵机系统弱磁控制方法，包含以下步骤：提取电机直轴和交轴的电压饱和量，基于电压反馈的电流补偿弱磁分配策略对电流环进行补偿，实现永磁同步电机弱磁升速；所述的电机直轴和交轴的电压饱和量为：其中，Ud、Uq分别为电机直轴d轴和电机交轴q轴电流积分形成的电压量，Udc为逆变器直流侧供电电压；k为可调参数；电机直轴电流补偿量：电机交轴电流补偿量：其中，is为速度环输出的电流量。与现有技术相比，本专利技术有以下优点：1、考虑了弹用能源一次性消耗，无需回收的特殊性，充分利用了弹上能源。2、挖掘了永磁同步电动舵机系统的潜能，拓宽了电动舵机系统的转速限制。3、实现了电动舵机在普通区域与弱磁恒功率区域的平滑切换。4、改善了弹用电动舵机系统在轻负载情况下的能源利用率，提升了电动舵机系统的动态响应速度。附图说明图1是表贴式永磁同步电机矢量电流轨迹。图2是电压反馈弱磁控制框图。图3是采用弱磁控制方法后的转速波形。图4是采用弱磁控制方法后的电流波形。具体实施方式以下根据图1～图4，具体说明本专利技术的较佳实施例。表贴式永磁同步电机(SPMSM)具有体积小、质量转矩比大、控制精度高的特点，非常适合现代航天工业对电机系统轻质小型化的要求，尤其是适合高精度电动舵机伺服控制领域。本专利技术提供一种永磁同步电动舵机系统弱磁控制方法，包含以下步骤：当电机转速超过电机额定最高转速时，提取电机直轴和交轴的电压饱和量，基于电压反馈的电流补偿弱磁分配策略对电流环进行补偿，实现永磁同步电机弱磁升速。具体来说，永磁同步电机的弱磁控制思想来源于他励直流电动机的弱磁增速。但是由于在永磁同步电机中，转子磁场是由永磁体产生，只能通过增加定子直轴的去磁分量来模拟他励直流电机的励磁电流，从而实现弱磁增速。特别的，表贴式永磁同步电机凸极率接近于1(ρ＝1)，故可认为直轴d轴电感等于交轴q轴电感，Lq＝Ld。其中，ω为电机转速；u为逆变器直流侧电压；ρ为电机凸极率；Ld为电机d轴等效电感；Lq为电机q轴等效电感；id为电机d轴等效电流；iq为电机q轴等效电流；ψf为电机永磁体磁链。由上式(1)可知，当电动机端电压达到逆变器输出电压的极限值时，即u＝umax，且电感与磁链基本保持不变时，要想继续提高转速，可以采取以下两种方式：1、增加电机的直轴电流id，使直轴产生去磁分量，且满足Ldid+ψf≥0(id<0)；2、减少电机的交轴电流iq。但由于电动机的相电流满足电流极限圆的关系，上述两种方法无法完全独立使用，即在增加直轴去磁分量电流时，相应的需要减小交轴电流分量。这两种方式相互配合，确保电机电流矢量运行在电流极限圆内，以获得“弱磁”增速效果。其中，umax为电机提供的最大电压；imax为电机速度环输出的最大电流；ω为电机转速。式(2)为永磁同步电机矢量控制的电压极限椭圆与电流极限圆方程，由此可得到表贴式永磁同步电机矢量电流轨迹如图1所示，由于表贴式永磁同步电动舵机的特殊性，此时电压极限椭圆变为电压极限圆。以给定转速指令超过额定转速为例进行说明。当电机从静止开始启动，在d轴电流id＝0的控制模式下，转速逐渐达到额定转速ω1，此时电机工作点为图中点A，A点为表贴式永磁同步电机电流极限圆与电压极限圆的交点，对应的定子电压和电流都已达到了极限值。此时，电动机的转矩Te1为电动机在额定转速下可以输出的最大电磁转矩，Te1＝1.5npψfiq1≥TL，其中np为电机极对数、iq1为此转速下q轴的输出电流，TL为电机所需负载力矩。由于给定转速ω2大于额定转速，如果仍然使用id＝0控制方式，图中最大转矩/电流比轨迹在B点与电压极限圆相交，此时对应的电磁转矩为Te2＝1.5npψfiq2<TL，输出电磁力矩小于负载力矩，无法维持给定转速，故实际上此工作点并不存在。为了在满足输出电磁转矩大于负载力矩的前提下，达到给定转速，将工作状态从B点移到C点处，进入弱磁控制区域，此时Te3＝1.5npψfiq3≥TL。将B点移到C点，实际上是给d轴施加了去磁分量，从而实现了“弱磁”增速。当电机运行于某一转速ω时，普通弱磁控制时的电流矢量曲线可表示为：此时，对于某一大于额定转速的给定速度ω，电机运行在C点所对应的转矩上，使电机可以以对应的最大输出转矩进行工作。在达到指令转速之后，在速度控制器的作用下，电流矢量沿着电压极限圆减小的方向移动，即向着输出转矩减小的方向移动至D点，此时输出转矩Te＝TL，输出转矩与负载转矩平衡为电机的稳态工作点。理论上的最大弱磁转速为：当电机超过额定转速之后，对于任意给定的指令转速，在电压极限圆上存在着一点，可以使电机工作在最大输出功率状态。此时，电磁功率表达式为：电机运行于最大功率时有：由此可得电机最大功率输出时，电流矢量曲线为：在轻负载情况下，电机直轴和交轴的电压饱和量为：其中，Ud、Uq分别为电机直轴d轴和电机交轴q轴电流积分形成的电压量，Udc为逆变器直流侧供电电压；当电机转速超过额定最高转速时，d、q轴电压将突破逆变器直流侧电压限制，即Uq2+Ud2-Udc2>0，此时电压饱和量为S＝-k·((Uq2+Ud2)/Udc2)，并对电流环进行补偿；k为可调参数，参数k应根据对象实际情况进行选取，原则上k值选取越大弱磁控制效果越好。但由于电流极限圆的存在，k值取值过大将会使系统不稳定，k值取值过小弱磁效果不明显；当电机转速小于额定最高转速时，d、q轴电压未达到逆变器直流侧电压最大值，即Uq2+Ud2-Udc2≤0，则电压饱和量为S＝0，不对电流环进行补偿。为了充分利用弹上能源，电流补偿策略如下：电机直轴电流补偿量：电机交轴电流补偿量：其中，is为速度环输出的电流量。这种电流分配策略，兼顾了最大转矩电流比控制(id＝0)与弱磁控制。同时充分利用了弹上能源，将轻负载情况下的富裕功率用于弱磁控制以提升电机的最高转速，保证了舵机系统在两种工况下的实时切换。如图2所示，本专利技术提供的一种永磁同步电动舵机系统弱磁控制方法由传统的速度-电流双闭环控制，结合基于电压反馈的电流补偿弱磁分配策略构成。其中，速度调节器的输入为转速偏差ωr-ωf，ωr为转速指令，ωf为转速反馈，速度调节器的输出为电流矢量is；弱磁控制器的输入为电流矢量is，输出电机直轴电流补偿量B_id和电机交轴电流补偿量B_iq；q轴电流调节器输入q轴电流指令，输出q轴等效电压Uq；d轴电流调节器输入d轴电流指令，输出d本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁同步电动舵机系统弱磁控制方法，其特征在于，包含以下步骤：提取电机直轴和交轴的电压饱和量，基于电压反馈的电流补偿弱磁分配策略对电流环进行补偿，实现永磁同步电机弱磁升速；所述的电机直轴和交轴的电压饱和量为：

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电动舵机系统弱磁控制方法，其特征在于，包含以下步骤：提取电机直轴和交轴的电压饱和量，基于电压反馈的电流补偿弱磁分配策略对电流环进行补偿，实现永磁同步电机弱磁升速；所述的电机直轴和交轴的电压饱和量为：

【专利技术属性】
技术研发人员：苏伟杰，张波，张军，蔡权林，黄佳怡，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31