一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法

摘要

本发明属于电机伺服控制技术领域，具体涉及一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法。这种方法采用标幺值设计方法和矢量控制系统：对永磁同步电机的各物理量和电机参数进行标幺化处理，通过标幺值使各种容量的电机物理量进行归一化；在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，外环为位置环，其输出作为转速环的指令值；转速环的反馈量为速度传感器的采样值，其输出为电机电磁转矩的指令值；内环是d轴和q轴的两个电流调节器，根据矢量算法得到相应的脉宽调制策略，来控制逆变器发出期望的电压，驱动电机产生相应的电磁转矩，实现对电机转速和位置等的精确控制，从而实现位置控制模式、转速控制模式、转矩控制模式。

主权项

一种基于标幺值设计的永磁同步电机伺服控制方法，其特征在于：采用标幺值处理和矢量控制：⑴对永磁同步电机的各物理量和电机参数进行标幺化处理，通过标幺值使各种容量的电机物理量进行归一化；在星型接法的交流永磁同步电机中，电压、电流的基准值U_B、I_B选取为相电压及相电流额定值的幅值，频率的基准值选取为电机的额定频率ω_B，u_B为输出电压的瞬时值，其他的标幺值如下：磁链的基值：时间的基值：电阻的基值：感抗和容抗的基值同电阻的基值，功率的基值：P_B＝U_B·I_B，转矩的基值：机械惯量的基值：⑵在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，首先确定坐标系，常用的三种坐标系：静止三相坐标系(a‑b‑c)，静止两相坐标系(α‑β)，同步旋转坐标系(d‑q)；其中静止三相坐标系的三个坐标轴分别为a‑x、b‑y、c‑z三相绕组的轴线，正方向为在a、b、c三相绕组中分别通入正向的直流电时所产生的磁场方向；静止两相坐标系的α轴和a轴重合，把α轴逆时针旋转90度即得到β轴；坐标系设置在转子上，相对于定子以同步频率在旋转，同步旋转坐标系中d轴相对于α轴的角度记为θ，其旋转速度为转子电角速度ω，同步旋转坐标系的d轴定向在转子永磁体产生的磁场幅值处；⑶在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，其中涉及的基本物理方程包括：①电机定子绕组为星形(Y型)连接时，定子三相绕组的电压方程为：$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=R·i_a+\frac{{\mathrm{d\psi }}_{sa}}{dt}\\ u_b=R·i_b+\frac{{\mathrm{d\psi }}_{sb}}{dt}\\ u_c=R·i_c+\frac{{\mathrm{d\psi }}_{sc}}{dt}\end{array}\right.$R为定子绕组的相电阻，u_a、u_b、u_c为定子三相绕组的相电压值，i_a、i_b、i_c为定子三相绕组的相电流值，ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc为与定子三相绕组交联的磁链瞬时值；②永磁同步电机的定子电压方程为：$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& 0\\ 0& R\end{array}\right]·\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{L}_d& 0\\ 0& L_q\end{array}\right]·\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\omega \left[\begin{array}{cc}0& -L_q\\ L_d& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+{\mathrm{\omega \psi }}_d·\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right];$③永磁同步电机产生的电磁转矩为：T_em＝p_nψ_di_q+p_n(L_d‑L_q)i_di_q；④在转子磁场定向的同步旋转坐标系(d‑q)下，当永磁体产生的磁链和直、交轴电感确定后，电机的电磁转矩取决于定子电流的空间矢量i_s＝i_d+ji_q；⑷在电机伺服控制方法中采用转子磁场定向矢量控制技术，确定了坐标系和基本物理方程后的主要步骤是：①通过安装在永磁同步电机转子上的机械传感器测量磁链位置；②通过位置传感器采样得到磁链位置的反馈量，结合其给定值进行比例计算，输出转速信号，作为转速环的指令值；③通过速度传感器采样得到转速的反馈量，经过转速调节器比例积分运算，得到电机的电磁转矩，作为电机电磁转矩的指令值输出；④按照i_d＝0的电流控制策略，结合步骤⑶中的方程，计算得到d轴和q轴电流的指令值；⑤通过电流传感器采样得到电流的反馈量，结合d轴和q轴电流的指令值，经过d轴和q轴的两个电流调节器，计算得到d、q轴电压的指令值；⑥根据矢量算法得到脉宽调制策略，控制逆变器发出期望电压，驱动电机产生电磁转矩，实现对电机转速和位置的精确控制。