基于离散电流矢量的相幅协调的电机运行控制方法

摘要

本发明基于离散电流矢量的相幅协调的电机运行控制方法，其特征在于该控制方法是根据电机运行过程中的进行相幅协调控制的三种控制不同要求：第一种，以输出转矩最大为目标、第二种，以转矩脉动最小为目标和第三种，以位置偏差最小为目标，分别对电流矢量的相角和幅值进行协调控制，该控制方法所用装置，包括相幅协调控制模块、电流控制模块、功率电路、电机、位置检测模块和电流检测模块；相幅协调控制模块一端与电流控制模块相连，另一端与位置检测模块相连；电流控制模块与功率电路的信号控制端相连，功率电路的输出端通过导线与电机相连，且导线穿过电流检测模块，电流检测模块又与电流控制模块连接，位置检测模块与电机进行同轴安装。

主权项

一种基于离散电流矢量的相幅协调的电机运行控制方法，其特征在于该控制方法是根据电机运行过程中的进行相幅协调控制的三种控制不同要求：第一种，以输出转矩最大为目标、第二种，以转矩脉动最小为目标和第三种，以位置偏差最小为目标，分别对电流矢量的相角和幅值进行协调控制，具体方法如下：Ⅰ.本发明控制方法所用装置及操作：本发明控制方法所用装置，包括相幅协调控制模块、电流控制模块、功率电路、电机、位置检测模块和电流检测模块；相幅协调控制模块一端与电流控制模块相连，另一端与位置检测模块相连；电流控制模块与功率电路的信号控制端相连，功率电路的输出端通过导线与电机相连，且导线穿过电流检测模块，电流检测模块又与电流控制模块连接，位置检测模块与电机进行同轴安装；Ⅱ.本发明控制方法针对电机运行过程中进行相幅协调控制的三种不同控制目标分别对电流矢量的相角和幅值进行相幅协调控制的具体步骤如下：第一种，以输出转矩最大为目标的相幅协调控制方法：当电机快速升或减速时，需要输出最大转矩，根据上述公式(2)$T_e=\frac{3}{2}p\left|i_s\right|{\psi }_{r}sinϵ---\left(2\right)$其中ε为矩角，即电流矢量i_s与转子磁链ψ_r间的夹角，获得最大转矩应满足给定离散电流矢量幅值为最大值|i_s|＝I_m，矩角ε在π/2±0.5θ_b内变化，其中θ_b＝2π/b_H为步距角；相幅协调控制步骤包括：第一步，检测转子的机械角位置：相幅协调控制模块通过位置检测模块检测到转子的机械角位置θ_m；选取极对数为p的电机，则A相绕组的轴线的个数为p，该机械角位置θ_m以其中一个A相绕组的轴线位置为0起始；第二步，计算给定离散电流矢量的位置：由相幅协调控制模块将第一步中检测到的机械角位置θ_m带入公式(2)，根据公式(3)计算所给定离散电流矢量i_s(k)的序号：$k=round\left(\frac{{\mathrm{p\theta }}_m\pm \pi /2}{{\theta }_b}\right){\mathrm{\%b}}_H---\left(3\right)$式中，round表示四舍五入运算；％表示取余运算；符号“±”指当电磁转矩出力方向与正方向相同时，取“+”，当电磁转矩出力方向与正方向相反时，取“‑”，所述正方向为面向电机输出轴的逆时针方向，根据给定离散电流矢量i_s(k)的序号可以确定给定离散电流矢量的位置，即给定离散电流矢量的相角kθ_b；第三步，输出给定离散电流矢量：将给定离散电流矢量i_s(k)的幅值|i_s|＝I_m和第二步得到的给定离散电流矢量的相角kθ_b给到电流控制模块，采用电流滞环控制或者电流PID控制中的任意一种电流控制方法控制电机电流跟随给定电流，从而实现输出转矩最大的控制；第二种，以转矩脉动最小为目标的相幅协调控制方法：当电机匀速运行时，要求电机输出的电磁转矩应与负载转矩满足电机转矩平衡方程，即满足公式(4)，${T_e}^{*}-T_L=J\frac{d\omega }{dt}=0---\left(4\right)$式中，T_L为负载转矩，J为转动惯量，ω为电机的电角速度；此时，令给定的电磁转矩T_e^*应等于负载转矩T_L，给定离散电流矢量幅值|i_s|根据公式(2)按给定的电磁转矩T_e^*计算得到，当矩角ε在π/2±0.5θ_b内变化时，使得转矩脉动最小，其中θ_b＝2π/b_H为步距角；相幅协调控制步骤为：第一步，检测转子的机械角位置：相幅协调控制模块通过位置检测模块检测到转子的机械角位置θ_m，选取极对数为p的电机，则A相绕组的轴线的个数为p，该机械角位置θ_m以其中一个A相绕组的轴线位置为0起始；第二步，计算给定离散电流矢量的位置：由相幅协调控制模块1将第一步中检测到的机械角位置θ_m带入公式(3)$k=round\left(\frac{{\mathrm{p\theta }}_m\pm \pi /2}{{\theta }_b}\right){\mathrm{\%b}}_H---\left(3\right)$式中，round表示四舍五入运算，％表示取余运算；符号“±”指当电磁转矩出力方向与正方向同时，取“+”，当电磁转矩出力方向与正方向相反时，取“‑”，所述正方向为面向电机输出轴的逆时针方向，根据公式(3)计算所给定离散电流矢量i_s(k)的序号，再根据给定离散电流矢量i_s(k)的序号可以确定给定离散电流矢量的位置，即给定离散电流矢量的相角kθ_b；第三步，计算给定离散电流矢量幅值：根据给定电磁转矩与负载转矩的平衡关系T_e^*＝T_L可得到T_e^*，再将sinε＝1及T_e^*带入公式(2)，可以得到公式(5)：$\left|i_s\right|=\frac{{T_e}^{*}}{\frac{3}{2}{\mathrm{p\psi }}_{\tau }}---\left(5\right)$控制中，T_L可通过负载转矩估计器得到T_L的估计值，从而根据公式(5)得到给定离散电流矢量的幅值；第四步，输出给定离散电流矢量：将根据第三步计算得到的给定离散电流矢量的幅值和根据第二步计算得到的给定离散电流矢量的相角kθ_b给到电流检测模块，采用电流滞环控制或者电流PID控制中的任意一种电流控制方法控制电机电流的跟随给定电流，从而实现转矩脉动最小的控制；第三种，以位置偏差最小为目标的相幅协调控制方法：当运行中的电机受制动转矩减速至定位点附近，且速度较低时，提供一个可使转子恰好停在位置偏差最小的定位点处的给定电磁转矩T_e^*，此时给定电磁转矩T_e^*为已知值，给定离散电流矢量的相角和幅值应同时根据此已知的给定电磁转矩T_e^*进行调整；相幅协调控制步骤为：第一步，检测转子的机械角位置：通过位置检测模块检测到转子的机械角位置θ_m，选取极对数为p的电机，则A相绕组的轴线的个数为p，该机械角位置θ_m以其中一个A相绕组的轴线位置为0起始；第二步，以额定电流计算给定离散电流矢量的相角：为平衡负载转矩，采用额定电流I_r估算电流矢量的相位，由相幅协调控制模块1将第一步中检测到的机械角位置θ_m带入公式(6)，$k=round\left(\frac{{\mathrm{p\theta }}_m\pm arcsin\left(\frac{T_e^{*}}{3/2{\mathrm{pI}}_r{\psi }_r}\right)}{{\theta }_b}\right){\mathrm{\%b}}_H---\left(6\right)$式中，round表示四舍五入运算，％表示取余运算，符号“±”指当电磁转矩出力方向与正方向相同时，取“+”，当电磁转矩出力方向与正方向相反时，取“‑”，所述正方向为面向电机输出轴的逆时针方向，其中θ_b＝2π/b_H为步距角；根据公式(6)得到给定离散电流矢量i_s(k)的序号，再根据给定离散电流矢量i_s(k)的序号可以确定给定离散电流矢量的位置，即给定离散电流矢量的相角kθ_b；第三步，计算给定离散电流矢量的幅值：将已知给定电磁转矩T_e^*及矩角ε＝kθ_b‑pθ_m带入公式(2)，可以得到公式(7)：$\left|i_s\right|=\frac{T_e^{*}}{\frac{3}{2}{\mathrm{p\psi }}_{\tau }\sin \left({\mathrm{k\theta }}_b-{\mathrm{p\theta }}_m\right)}---\left(7\right)$从而根据公式(7)得到给定离散电流矢量的幅值；第四步，输出给定离散电流矢量：将根据第三步计算得到的给定离散电流矢量的幅值和根据第二步计算得到的给定离散电流矢量的相角kθ_b给到电流检测模块，采用电流滞环控制或者电流PID控制中的任意一种电流控制方法控制电机电流跟随给定电流，从而实现位置偏差最小的控制。