CN102158168A - 一种永磁同步电机驱动控制*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机驱动控制***，特别涉及一种用于随动伺服***的永磁同步电机驱动控制***，属于电机控制技术领域。由电源模块、中央控制单元、2个模拟信号处理单元、2个数字信号处理单元、电流测量模块、转速测量模块、过流保护处理单元、隔离单元和功率放大单元组成；中央控制单元的驱动策略采用空间矢量脉宽调制技术，在中央控制单元的DSP控制器中设计了一种积分时变滑模变结构速度环控制器。本***的快速性和抗干扰能力以及对***参数摄动的鲁棒性相对于传统控制***均有所增强；滑模变结构控制由于其滑动模态可以设计，对加给***的扰动和参数变化不敏感，因此具有鲁棒性好、速度响应快、综合方法容易实现等特点。

Description

一种永磁同步电机驱动控制***

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机驱动控制***，特别涉及一种用于随动伺服***的永磁同步电机驱动控制***，属于电机控制技术领域。

背景技术

永磁同步电机以其宽调速范围，力矩波动小，响应速度快，峰值转矩高，过载能力强，运行可靠等优点，已广泛应用于各种调速驱动场合，尤其是在航空航天惯性执行机构姿态控制、机器人、转台控制等对电机性能及控制精度要求较高的场合和领域受到普遍重视。

典型的随动伺服***结构一般由电流环、速度环和位置环构成。响应速度最高的电流环控制为内环，其次是速度环和位置环。如果伺服***能够实现电流、速度、位置三环的数字调节控制即可称为全数字伺服驱动***。全数字伺服***较模拟伺服***可调节精度高，同时控制算法易于实现，有利于性能的有效提升。伺服***中电流环的响应带宽一般最高(大于1KHz)，因此一般要求电流环的采样频率大于10KHz，这对数字控制器实时性提出了较高的要求。早期的伺服***中，由于微控制器的性能还很差，不能满足伺服***对控制器高实时性的要求，所以电流环的调节多采用的是模拟电路实现，这导致***性能受温度漂移、元件老化因素的影响较大，可靠性较低。20世纪末，以MC51和MC196为代表的8位和16位单片机性能较早期的Z80单板机有了很大提升，然而对于高实时性的电流环控制仍旧难以满足。近年来，随着科技的飞速发展，TI、MOTOROLA、AD等DSP大公司都相继推出了电机控制专用数字信号处理芯片，如TMS320F2XXX系列，DSP56F80X系列等，这类芯片都以DSP处理器为核心，使用其高效的指令集，同时在片内集成了数字信号处理常用的加乘法运算单元，实现单周期完成一次乘法运算，有的芯片处理能力达150MIPS。一些产品还将电机控制的***电路包括A/D，PWM等电机控制接口电路与DSP内核集成于一体，不仅简化了***硬件电路，同时也提高了可靠性和性价比。正是由于DSP技术的飞速发展，使得伺服驱动的位置环、速度环、电流环全数字化控制得以实现。

驱动策略方面，功率逆变部分一般采用三相桥逆变的形式，为了提高永磁同步电机伺服***的响应速度，减小转矩脉动，通常驱动器采用脉宽调制(PWM)技术来驱动电机，PWM驱动方式能够实现对逆变电路的平滑控制。这种方法的缺点在于采用PWM方法会产生较大的电磁干扰，会对上位控制板和电器***的地带来较大的噪声影响。

控制器算法方面，PID控制器是永磁同步电机速度与位置闭环控制***中应用最为广泛的控制器，但是永磁同步电机是一种非线性的电机，具有多变量，强耦合等特点，电机参数易受外界影响发生摄动，因此要求***具有一定的鲁棒性，而传统的PID控制器无法满足这一要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，实现伺服***的全数字化控制，同时能够实现数字部分与功率部分的有效隔离，提出一种永磁同步电机驱动控制***。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种永磁同步电机驱动控制***，其***设备为被控电机和上位机，由电源模块、中央控制单元、2个模拟信号处理单元、2个数字信号处理单元、电流测量模块、转速测量模块、过流保护处理单元、隔离单元和功率放大单元组成；

上述电源模块负责给其他部提供电源；

上述中央处理单元通过模拟信号处理单元和数字信号处理单元采集外部信息，将信息整合、计算后生成PWM信号，PWM信号经隔离单元和功率放大单元后对电机的直流母线电压进行脉宽调制，从而实现对电机的控制；

上位机为中央处理单元提供控制信号，将速度给定信号或者电流给定信号通过第一模拟信号处理单元传给中央处理单元，将启动使能信号通过第一数字信号处理单元传给中央处理单元，上位机和中央处理单元之间还通过串口进行连接，通过串口中央处理单元接收上位机发出的速度或电流给定信号，并将***变量上传给上位机；

上述中央控制单元的主控芯片采用DSP控制器芯片；

上述隔离单元采用高速光耦实现隔离；

上述功率放大单元包括三相桥式逆变电路和逆变桥开关管驱动电路；

上述电流测量模块包括霍尔传感器和信号调理电路，电机的相电流进入到电流测量模块后，产生能够反映电流反馈信号的电压模拟信号，经第二模拟信号处理单元进入中央控制单元；

上述转速测量模块的主要部件为光电编码器，光电编码器安装于电机轴上，在电机转动过程中，光电编码器产生转速脉冲信号并送入中央控制单元；

上述当功率放大单元发生错误时，第二数字信号处理单元接收由功率放大单元给出的错误信号，包括过温信号和过流信号，并将此信号传递给中央处理单元，同时断开逆变桥驱动使能信号，使得来自中央处理单元的控制信号只被逆变桥开关管驱动电路接收但是不被输出用来控制三相桥式逆变电路，从而使得三相桥式逆变电路处于封锁状态，保护电机；

上述过流保护处理单元接收电流测量模块中霍尔传感器输出的反馈电流值，并对其进行判断，如果此反馈电流超出设定的限额则输出过流故障信号，并控制过流保护处理单元中继电器动作，断开功率放大单元中的电机母线电源，起到电机过流保护的作用；

上述中央控制单元的驱动策略采用空间矢量脉宽调制技术；

为了实现高性能伺服控制，增强***的鲁棒性，本发明在中央控制单元的DSP控制器中设计了一种积分时变滑模变结构速度环控制器，其滑模面函数为

滑模控制器输出的控制量为u_c＝u_eq+u_sw，其具体推导及证明过程为：

永磁同步电机在d、q轴的数学模型及运动方程：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=R_s{i}_d+L_d{\mathrm{pi}}_d-{\mathrm{\ω}}_e{L}_q{i}_q\\ u_q={\mathrm{\ω}}_e{L}_d{i}_d+R_s{i}_q+L_q{\mathrm{pi}}_q+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fd}}{\mathrm{\ω}}_e\\ T_e=T_L+\mathrm{Jd\ω}/\mathrm{dt}+\mathrm{B\ω}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，u_d、u_q分别为定子电压d、q轴分量，i_d、i_q分别为定子电流d、q轴分量；L_d、L_q分别为绕组相电感d、q轴分量，R_s为定子电阻，p为微分算子，ψ_fd为转子磁链在d轴上的耦合磁链，T_e为电磁转矩，J为转动惯量，B为轴承的粘滞系数，T_L为负载转矩；

上式中，ω_e＝p_mω，其中p_m为电机的极对数，ω为机械角速度；设定L_d＝L_q＝L，则永磁同步电机在d、q轴的状态方程为

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{g}{i}}_q=\frac{1}{L}{u}_q-\frac{R_s}{L}{i}_q-p_m\mathrm{\ω}{i}_d-\frac{p_m{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fd}}}{L}\\ {\stackrel{g}{i}}_d=\frac{1}{L}{u}_d-\frac{R_s}{L}{i}_d+p_m{\mathrm{\ωi}}_q\\ \stackrel{g}{\mathrm{\ω}}=\frac{p_m{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fd}}}{J}{i}_q-\frac{B}{J}\mathrm{\ω}-\frac{1}{J}{T}_L\end{array}\right.---\left(2\right)$

本***采用i_d＝0的矢量控制方式，上式可以进一步转化为

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{g}{i}}_q=\frac{1}{L}{u}_q-\frac{R_s}{L}{i}_q-\frac{p_m{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fd}}}{L}\mathrm{\ω}\\ \stackrel{g}{\mathrm{\ω}}=\frac{p_m{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fd}}}{J}{i}_q-\frac{B}{J}\mathrm{\ω}-\frac{1}{J}{T}_L\end{array}\right.---\left(3\right)$

为便于滑模变结构控制器的设计，定义状态变量x＝ω^*-ω，其中ω^*是转速给定，控制器输出控制量u＝i_q，得到状态方程为

$\stackrel{g}{x}=-\frac{B}{J}x-\frac{p_m{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{fd}}}{J}u+\frac{T_L}{J}+\frac{B}{J}{\mathrm{\ω}}^{*}---\left(4\right)$

令

得到简化的状态方程

$\stackrel{g}{x}=\mathrm{Ax}-\mathrm{bu}+d---\left(5\right)$

选择具有指数收敛性质的时变滑模面

$(c-{\mathrm{me}}^{-\mathrm{gt}}){\∫}_0^{t}x\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+{\mathrm{ne}}^{-\mathrm{ht}}---\left(6\right)$

其中c、m、n、g、h都为大于零的调节参数；

为了实现滑模控制的全局鲁棒性，在初始时刻***相轨迹需处于时变滑模面上，令S＝0，可得

n＝-(1+c-m)x(0)                    (7)

当***在滑模面上滑动时有

由式(5)和(8)得到的等效控制量为

$u_{\mathrm{eq}}=[(A+c-{\mathrm{me}}^{-\mathrm{gt}})x+d+{\mathrm{gme}}^{-\mathrm{gt}}{\∫}_0^{t}x\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}-{\mathrm{hne}}^{-\mathrm{ht}}]/b---\left(9\right)$

则滑模控制器输出的控制量为

u_c＝u_eq+u_sw                    (10)

其中，定义u_sw＝η·sgn(S)|S|＝η·S，其中η＞0，且η为切换控制量增益。

针对以上提出的滑模变结构控制率，下面将证明由此构成的***是渐进稳定的。

证明：定义Lyapunov函数为

$V=\frac{1}{2}{S}^2---\left(11\right)$

对上式(11)两边对时间求导，可得

将式(10)代入式(12)可得

所以当t→∞时，S＝0，即

$S=x+(c-{\mathrm{me}}^{-\mathrm{gt}}){\∫}_0^{t}x\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+{\mathrm{ne}}^{-\mathrm{ht}}=x+c{\∫}_0^{t}x\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}=0---\left(14\right)$

解微分方程得：x(t→∞)＝e^-ct＝0，

由Lyapunov稳定性定理可知此控制律能使得***渐近稳定，且稳定误差为零。

有益效果

本发明的一种永磁同步电机驱动控制***，***的快速性和抗干扰能力以及对***参数摄动的鲁棒性相对于传统控制***均有所增强；滑模变结构控制由于其滑动模态可以设计，对加给***的扰动和参数变化不敏感，因此具有鲁棒性好、速度响应快、综合方法容易实现等特点。

附图说明

图1为本发明的***原理框图；

图2为本发明的过流信号处理电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种永磁同步电机驱动控制***，其***设备为被控电机和上位机，由电源模块、中央控制单元、2个模拟信号处理单元、2个数字信号处理单元、电流测量模块、转速测量模块、隔离单元和功率放大单元组成；

上述电源模块采用隔离电源，负责给其他部提供电源；

上述中央控制单元的主控芯片采用TI公司的DSP芯片，型号为TMS320F2812；

上述隔离单元采用高速光耦实现隔离，高速光耦型号为6N137；

上述功率放大单元中逆变桥开关管驱动电路的驱动芯片为IR2136；

上述过流保护处理单元原理框图如图2所示，包括比较电路、与非门电路、非门电路、继电器和电路保护指示灯；比较电路由两个LM393构成，两个LM393构成了一个窗口比较器，当霍尔传感器输出的以电压形式表示的电机电流信号在高、低两个参考值以内时，说明电机处于正常工作状态，不输出故障信号；当输入电压高参考电压值或者小于低参考电压值时，说明电机电流已超出限额，则比较电路经过与非门电路输出过流保护信号，过流保护信号经过非门提高了电流驱动能力后作为控制信号断开电磁继电器，从而断开逆变桥的母线电压，实现保护，同时过流保护信号控制电路保护指示灯点亮；高、低参考电压值可通过相应的可变电阻器来进行调节；上述与非门电路的主芯片为74LS20，非门电路主芯片为MC1413。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机驱动控制***，其***设备为被控电机和上位机，其特征在于：由电源模块、中央控制单元、2个模拟信号处理单元、2个数字信号处理单元、电流测量模块、转速测量模块、过流保护处理单元、隔离单元和功率放大单元组成；

上述电源模块负责给其他部提供电源；

上述中央处理单元通过模拟信号处理单元和数字信号处理单元采集外部信息，将信息整合、计算后生成PWM信号，PWM信号经隔离单元和功率放大单元后对电机的直流母线电压进行脉宽调制，进而控制电机；

上位机为中央处理单元提供控制信号，将速度给定信号或者电流给定信号通过第一模拟信号处理单元传给中央处理单元，将启动使能信号通过第一数字信号处理单元传给中央处理单元，上位机和中央处理单元之间还通过串口进行连接，通过串口中央处理单元接收上位机发出的速度或电流给定信号，并将***变量上传给上位机；

上述中央控制单元的主控芯片采用DSP控制器；

上述隔离单元采用高速光耦实现隔离；

上述功率放大单元包括三相桥式逆变电路和逆变桥开关管驱动电路；

上述电流测量模块包括霍尔传感器和信号调理电路，电机的相电流进入到电流测量模块后，产生能够反映电流反馈信号的电压模拟信号，经第二模拟信号处理单元进入中央控制单元；

上述转速测量模块的主要部件为光电编码器，光电编码器安装于电机轴上，在电机转动过程中，光电编码器产生转速脉冲信号并送入中央控制单元；

上述当功率放大单元发生错误时，第二数字信号处理单元接收由功率放大单元给出的错误信号，包括过温信号和过流信号，并将此信号传递给中央处理单元，同时断开逆变桥驱动使能信号，使得来自中央处理单元的控制信号只被逆变桥开关管驱动电路接收但是不被输出用来控制三相桥式逆变电路，从而使得三相桥式逆变电路处于封锁状态，保护电机；

上述过流保护处理单元接收电流测量模块中霍尔传感器输出的反馈电流值，并对其进行判断，如果此反馈电流超出设定的限额则输出过流故障信号，并控制过流保护处理单元中继电器动作，断开功率放大单元中的电机母线电源，起到电机过流保护的作用。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机驱动控制***，其特征在于：所述中央控制单元的驱动策略采用空间矢量脉宽调制技术。

3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机驱动控制***，其特征在于：所属中央控制单元的DSP控制器中带有一种积分时变滑模变结构速度环控制器，该控制器的滑模面函数为

$(c-{\mathrm{me}}^{-\mathrm{gt}}){\∫}_0^{t}x\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+{\mathrm{ne}}^{-\mathrm{ht}}$

上式中，x＝ω^*-ω，其中ω^*是转速给定，ω为机械角速度，其中c、m、n、g、h都为大于零的调节参数；

控制器输出的控制量为

u_c＝u_eq+u_sw

上式中

$u_{\mathrm{eq}}=[(A+c-{\mathrm{me}}^{-\mathrm{gt}})x+d+{\mathrm{gme}}^{-\mathrm{gt}}{\∫}_0^{t}x\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}-{\mathrm{hne}}^{-\mathrm{ht}}]/b$

u_sw＝η·S

其中，

J为转动惯量，B为轴承的粘滞系数，p_m为电机的极对数，ψ_fd为转子磁链在电机d轴上的耦合磁链，T_L为负载转矩，η＞0且η为切换控制量增益。

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机驱动控制***，其特征在于：所述电源模块采用隔离电源；所述中央控制单元的主控芯片采用TI公司的DSP芯片，型号为TMS320F2812；所述隔离单元采用高速光耦实现隔离，高速光耦型号为6N137；所述功率放大单元中逆变桥开关管驱动电路的驱动芯片为IR2136。

5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机驱动控制***，其特征在于：所述过流保护处理单元包括比较电路、与非门电路、非门电路、继电器和电路保护指示灯；

其中比较电路由两个LM393构成，两个LM393构成了一个窗口比较器，当霍尔传感器输出的以电压形式表示的电机电流信号在高、低两个参考值以内时，不输出故障信号；当输入电压大于高参考电压值或者小于低参考电压值时，比较电路经过与非门电路输出过流故障信号，过流故障信号经过非门后作为控制信号断开电磁继电器，从而断开逆变桥的母线电压，同时过流保护信号控制电路保护指示灯点亮；

上述高、低参考电压值通过相应的可变电阻器来实现调节。

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