基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制方法，利用永磁同步电动机中已经配置的位置编码器提供的转子磁极位置信号，获得定、转子磁极的位置偏差，并将该偏差设定为互相正交（±９０°），并构成闭环控制，以保证两个磁场正交；在此基础上，将矢量控制在定子电流极坐标系展开，直接对定子磁场进行控制（转子磁场为常量）来实现对永磁同步电动机转矩的控制。本发明专利技术可节约实现基本的磁场定向矢量控制策略的系统资源，在要求不高的应用场合简化系统结构并降低成本，在高要求的伺服驱动控制中降低系统开销，将控制资源让给复杂的控制从而提高控制性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及伺服驱动控制领域中的电动机的驱动控制方法，特别是涉及，具体说是在永磁同步电动机的控制中，保证定转子磁场正交，并采用极坐标来对电动机的转矩进行控制的方法。
技术介绍
目前，国内、外永磁同步电机的驱动控制大都采用磁场定向矢量控制策略。矢量控制思想源于20世纪70年代由德国的F.Blaschke等人针对异步电机提出的“感应电机的磁场定向控制原理”。磁场定向矢量控制把三相静止坐标系下的定子三相电流iA、iB和iC通过CLARK(3/2变换，即将三相电流iA、iB和iC变换成两相电流iα、iβ)变换，等效成静止αβ直角坐标系下的交流电流iα、iβ，再经转子磁场定向的PARK(两相静止/旋转变换，即将静止的定子坐标系上两相电流iα、iβ变换到旋转的转子坐标系上的两相电流id和iq)变换，等效成两相旋转坐标系下的电流id、iq，id相当于直流电机的励磁电流，iq也相当于直流电机的电枢电流，对id和iq分别进行调节后，再经过反PARK和反CLARK(上述两个变换的反变换id和iq到iα、iβ的变换和iα、iβ到iA、iB和iC的2/3变换)变换输出三相SVPWM波形控制逆变器驱动电机运行。具体地说，基于传统矢量控制的基本思想是在磁场定向直角坐标系上，将电流矢量分解为产生磁通的励磁电流和产生转矩的转矩电流，并使两个分量互相垂直、彼此独立，然后分别进行调节。转子磁链定向控制的永磁同步电机的定子磁链方程为， 式中，ψsd，ψsq——直轴、交轴定子磁链； Ld，Lq——定子绕组d、q轴等效电感； isd，isq——直轴、交轴定子电流。 永磁同步电机的定子电压方程为， 式中，usd，usq——定子电压矢量的d、q轴分量； ω——转子角频率； p——微分算子。 由式(1)和式(2)以及电机统一理论中介绍的转矩公式整理可得转矩， Td＝pm(ψsdisq-ψsqisd)＝pm(3) 从式(3)可以看出，永磁同步电机的电磁转矩基本上取决于定子交轴电流分量和直轴电流分量，如果使定子电流矢量位于q轴，而无d轴分量(id＝0)，电磁转矩方程， Td＝pmψrisq(4) 图1为实现上述控制思想的控制方框图，如图1所示，由给定的转速和检测到的电机转速比较，通过PI速度控制器得到定子q轴电流的参考输入isqref，定子d轴电流的参考值isdref设置为0；反馈得到转子旋转坐标系下定子实际电流分量id和iq，分别与isdref和isqref比较，通过PI控制器调节，两个电流环分别实现闭环，而为了得到转子旋转坐标为基准的坐标系，必须将定子坐标变换到旋转坐标，即PARK变换。但是，矢量在坐标系之间的相互变换运算如CLARK、反CLARK、PARK和反PARK变换等，需要大量的计算，占用了大量的系统资源，对控制器的处理能力要求较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，可降低实现基本的磁场定向矢量控制策略对系统资源要求，在要求不高的应用场合简化系统结构并降低成本，在高要求的伺服驱动控制中节约系统开销，将控制资源让给复杂的控制从而提高控制性能。 本专利技术的另一个目的在于提供实现上述方法的装置。 本专利技术一种，利用永磁同步电动机中已经配置的位置编码器提供的转子磁极位置信号，获得定、转子磁极的相位偏差，并将该偏差设定为互相正交(±90°)，构成闭环控制，以保证两个磁场正交；在此基础上，将矢量控制在定子电流极坐标系展开，直接对定子磁场进行控制(定子电流)(转子磁场为常量)实现对永磁同步电动机转矩的控制。这样既可以省去部分复杂的坐标变换的计算，又可以保留矢量控制思想的种种优点。 本专利技术的具体控制过程为(1)首先将检测的永磁同步电动机的三相电流获得合成的三相电流矢量以极坐标的形式(幅值和相位)表示，得到定子磁场的相位；根据编码器的信号获得转子磁场的相位；(2)然后根据两者计算定、转子磁场的相位差和计算与正交设定之间偏差并进行闭环控制，从而确保定转子磁场处于正交，使电动机的转矩仅由定子电流确定；(3)最后在极坐标系中，通过调节器获得定子电流的模值与极角两个控制量，并把定子电流的在极坐标系的模值与极角两个控制量转换成三相坐标的控制量，输出到逆变器开关器件的控制端，对逆变器的关元件进行控制而实现了对永磁同步电动机的控制。 一种基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制装置，包括整流单元、逆变器、永磁同步电动机、转子位置编码器、电流传感器、控制单元、操作单元等部件。其中整流单元经逆变器与永磁同步电动机连接，三相交流市电经整流单元整流成稳定的直流电，再经过逆变器逆变成电压和频率都可调的三相交流电后向永磁同步电动机供电，实现对永磁同步电动机的转速和力矩的控制，其特征在于转子位置编码器和电流传感器的输入端分别与永磁同步电动机连接，输出端分别与控制单元连接，控制单元的控制输出连接逆变器，操作单元与控制单元的相应操作信号输入端口连接；转子位置编码器实时检测永磁同步电动机转子位置，转子位置编码器输出信号输入控制单元，作为确定逆变器换相和电动机速度处理的依据，电流传感器实时检测永磁同步电动机的电流信号，电流传感器输出信号输入控制单元作为进行力矩处理的依据，控制单元接受转子位置编码器的转子位置信号和电流传感器检测的电动机电流信号进行电流环和速度环的各种处理，输出控制信号去实时控制逆变器的开关实现对电动机速度和转矩控制。 本专利技术装置还设有显示报警单元，显示报警单元与控制单元上相应的显示输出端口连接，控制单元将状态和报警信号输出到显示报警单元进行显示和报警。 本专利技术装置还设有上位主机，上位主机与控制单元上相应的数据通讯端口连接，控制单元接受上位主机的设定信号。 与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果 1)由于计算量减少，可以在原有的基础上缩短控制周期，实现精细控制而进一步提高控制性能； 2)由于控制环节减少，可以降低系统的运算积累误差，提高运算精度从而提高控制性能； 3)由于降低了系统的开销，有可能降低系统运算器件的要求，节约成本。 附图说明 图1是基于传统矢量控制的基本思想框图； 图2是本专利技术控制原理框图； 图3是本专利技术三相电流矢量合成示意图； 图4本专利技术的控制矢量合成图； 图5是实施例结构图； 图6是与图1对应的传统矢量控制流程图； 图7是与图2对应的本专利技术矢量控制流程图。 具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述，但是本专利技术要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。 如附图5所示，本专利技术基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制装置包括整流单元1、逆变器2、永磁同步电动机3、转子位置编码器4、电流传感器5、控制单元6、操作单元7、显示报警单元8和上位主机9。整流单元1经逆变器2与永磁同步电动机连接，转子位置编码器4和电流传感器5的输入端分别与永磁同步电动机3连接，输出端分别与控制单元6连接，控制单元6还分别与逆变器2、操作单元7、显示报警单元8和上位主机9连接。三相交流市电经整流单元1整流成稳定的直流电，再经过逆变器2逆变成电压和频率都可调的三相交流电后向永磁同步电动机3供电，实现对永磁同步电动机3的转速和力矩的控制。转子位置编码器4实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁场正交控制的永磁同步电动机的驱动控制方法，其特征在于利用永磁同步电动机中已经配置的位置编码器提供的转子磁极位置信号，获得定、转子磁极的位置偏差，并将该偏差设定为±９０°，构成闭环控制，以保证两个磁场正交；在此基础上，将矢量控制在定子电流极坐标系展开，直接对定子电流（定子磁场）进行控制以实现对永磁同步电动机转矩的控制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：皮佑国，罗映，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]