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UB、IB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ωB，uB为输出电压的瞬时值，其他的标幺值如下：磁链的基值： ψ B = u B ω B , 时间的基值： t B = 1 ω B , 电阻的基值： R B = U B I B , 感抗和容抗的基值同电阻的基值，功率的基值：PB＝UB·IB，转矩的基值： T B = P B ω B , 机械惯量的基值： J B = T B · t B ω B ; 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： u a = R · i a + dψ sa dt u b = R · i b + d ψ sb dt u c = R · i c + dψ sc dt R为定子绕组的相电阻，ua、ub、uc为定子三相绕组的相电压值，ia、ib、ic为定子三相绕组的相电流值，ψsa、ψsb、ψsc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： u d u q = R 0 0 R · i d i q + L d 0 0 L q · d dt i d i q + ω 0 - L q L d 0 i d i q + ωψ d · 0 1 ; ③永磁同步电机产生的电磁转矩为：Tem＝pnψdiq+pn(Ld‑Lq)idiq；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is＝id+jiq；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id=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等的精确控制。