CN103856132A - 一种交流伺服永磁同步电机控制*** - Google Patents

Abstract

一种交流伺服永磁同步电机控制***，包括有整流滤波单元、三相逆变器、核心运算控制单元、逆变驱动控制电路、通讯监视控制部分，通讯监视控制部分由显示操作面板和起停控制部分组成，显示操作面板与核心运算控制单元信号连接，起停控制部分与核心运算控制单元一输入端连接，核心运算控制单元一输出端与逆变驱动控制电路输入端连接，逆变驱动控制电路输出端与三相逆变器一输入端连接，三相电源经整流滤波单元与三相逆变器另一输入端连接，三相逆变器的输出端分别与数据采集电路、交流伺服永磁同步电机输入端连接，数据采集电路输出端与核心运算控制单元另一输入端连接。

Description

一种交流伺服永磁同步电机控制***

技术领域

本发明涉及电机控制***，特别是一种交流伺服永磁同步电机控制***。 

背景技术

伺服电机分直流伺服电机和交流伺服电机，其中交流伺服电机又分为异步和同步两种，直流电机和同步电机一般为永磁结构的，它们都需要传感器或编码器加载到旋转的电机上以获取电机当前转子的速度和位置，从而实现对电机实时高精度的控制，这其中以交流伺服永磁同步电机转矩性能最好，控制精度最高，在数控机床等高端领域获得广泛应用，但因其需要在电机端安装传感器，传感器信号再传送到控制器端，容易受到振动等环境条件的影响，安装调试不方便，只适合室内场合，无法适应野外如油田、煤炭、矿山等恶劣环境。 

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种不需要传感器的交流伺服永磁同步电机控制***。 

一种交流伺服永磁同步电机控制***，包括有整流滤波单元、三相逆变器、核心运算控制单元、逆变驱动控制电路、通讯监视控制部分，通讯监视控制部分由显示操作面板和起停控制部分组成，显示操作面板与核心运算控制单元信号连接，起停控制部分与核心运算控制单元一输入端连接，核心运算控制单元一输出端与逆变驱动控制电路输入端连接，逆变驱动控制电路输出端与三相逆变器一输入端连接，三相电源经整流滤波单元与三相逆变器另一输入端连接，三相逆变器的输出端与数据采集电路输入端连接，数据采集电路输出端与核心运算控制单元另一输入端连接。 

所述数据采集电路由三相电流采样电路和三相电压采样电路组成，三相逆变器的输出端分别与三相电流采样电路、三相电压采样电路输入端连接，三相电流采样电路、三相电压采样电路输出端分别与核心运算控制单元另一输入端连接。 

所述核心运算控制单元为DSP数据信号处理器，处理器内的AD转换模块输入端与三相电流采集电路、三相电压采集电路的输入端连接，AD转换模块一输出端通过速度位置估算模块与位置调节模块连接，位置调节模块的输出端通过转速调节模块、电流调节模块、PWM输出模块与逆变驱动控制电路输入端连接，速度位置估算模块一输出端与转速调节模块一输入端连接，电流调节模块一输入端与AD转换模块一输出端连接，SCI通讯模块输出端通过速度给定模块与位置调节模块连接，显示操作面板与SCI通讯模块信号连接，IO控制模块与起停控制部分连接。 

所述DSP数据信号处理器为32位DSP数据信号处理器。 

所述位置估算模块由滑模观测器速度位置估算模块和卡尔滤波器位置转速输出模块组成，电压矢量分解CLARK变换模块两端连接滑模观测器速度位置估算模块和AD转换模块，滑模观测器速度位置估算模块通过卡尔滤波器位置速度输出模块与转速调节模块连接，位置调节模块输入端与卡尔滤波器位置速度输出模块连接，PARK变换模块两端连接有电流矢量分解CLARK变换模块和电流调节模块，PARK逆变换模块两端连接电流调节模块和PWM输出模块。 

所述逆变驱动控制电路中设置有绝缘栅双极型晶体管IGBT作为功率开关器件。 

三相逆变器的输出端与交流伺服永磁同步电机输入端连接。 

本发明的技术效果是：由于本发明不需要传感器，采用了全新的设计模式和矢量控制算法，就能实现对电机速度和转矩的精确控制，还克服了容易受到振动等环境条件的影响，且结构简单，性能安全可靠，适应范围更加广泛。 

附图说明

图1为本发明的电机控制***图。 

图2为本发明实施例的电机控制***图。 

图3为本发明电机起动运行三相电流曲线图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步详细说明，如图1所示，整流滤波单元将三相交流电经过全桥整流成直流电，正负间使用四个电解电容，两并两串相连，每个电容的正负极上并连一个功率电阻以保持相互间的冲放电均衡，有效减小直流母线的波纹。 

虚线框内部分为核心运算控制单元，，该部分主要是将各路采集到的数字及模拟信号集中运算处理，主芯片采用TI公司32位DSP数据信号处理器，处理信号包括外部输入、输出开关控制起停；频率给定、电流采集等输入模拟量经AD转换后数据运算；电流、转速等输出模拟量的实时运算；基于磁场定向的电机矢量控制算法处理；基于滑模和卡尔曼滤波多种滤波算法的电机速度及实时位置精确估计；电机驱动电路的开关波形输出，与外部设备通信连接、将实时数据送上位显示等。 

数据采集电路：该部分实现外部数字、模拟输入信号、输出电流、输出电压及电机反电动势相位幅值的采集，并经过整形放大，滤波后送到DSP芯片端口。 

逆变驱动控制电路：这部分实现主功率器件IGBT的输出控制，将来自DSP的SVPWM方波信号经过光藕隔离、功率放大后驱动IGBT，同时监控IGBT的内部过流信号反馈到DSP以开通关断驱动信号以防IGBT大电流烧坏。 

通讯监视控制部分：这部分主要利用DSP的SCI串行通信功能同监视器或PC机通讯，实现***的参数设置，调整，监视等操作。DSP接收来至监视器或PC机的频率、速度、起停机等指令，核心运算单元经过数据处理向***接口及驱动电路传送相应数据并将电机最终运行结果回发给监视器或PC机，从而直观地看到当前电机的运行数据。 

三相逆变器受控输出给定的的电压（电流）驱动永磁同步电机PMSM。 

通过对电机电流和电压波形的实时观测，使用基于滑动模型和卡尔曼滤波算法，实现了无需速度位置传感器或编码器即可精确估算出电机的转速和转子位置，从而实现对电机位置，转速，电流三闭环控制。在高性能的驱动配合下，电机起动转矩大、过载能力强，最大起动转矩可达额定2倍以上。***效率高、功率因数高、其效率特性曲线具有高而平的特点，在电机轻载时节能效果更为明显，适合各种负载条件特别是负载转矩波动大，转矩要求高的场合。 

本发明运行时，通过上位机或显示操作面板给定电机转速，因该控制***无传感器，需要在电机起动前对电机参数和初始位置进行识别，具体做法是给电机输出20V左右直流电压，测电机相间电阻，给电机输出不同频率的电压，依据电机的凸极效应计算出当前电机的初始位置，***采用三闭环调节，知道电机的初始位置后，即可进入位置PID调节，位置调节的输出作为速度调节的输入，速度反馈是来自速度位置估算模块，AD模块实时对三相电流和电压采集后送到速度位置估算模块，速度位置估算模块对采集的数据进行矢量分解，依据电机的磁场定向矢量控制模型计算出当前电机转子所处的电角度和速度。速度调节的输出作为电流调节的输入，电流反馈量来自AD模块采集的实时值，电流环为最内环调节，能很快对电机负载的变量作出调整，电流调节后的输出量即可经过矢量逆变换形成三相所需的开关量送入PWM输出模块，然后经过逆变电路驱动永磁同步电机PMSM。 

如图2所示，所述位置估算模块由滑模观测器速度位置估算模块和卡尔滤波器位置转速输出模块组成，电压矢量分解CLARK变换模块两端连接滑模观测器速度位置估算模块和AD转换模块，滑模观测器速度位置估算模块通过卡尔滤波器位置速度输出模块与转速调节模块连接，位置调节模块输入端与卡尔滤波器位置速度输出模块连接，PARK变换模块两端连接有电流矢量分解CLARK变换模块和电流调节模块，PARK逆变换模块两端连接电流调节模块和PWM输出模块。本发明采用基于转子磁场定向矢量控制的同时，使用位置、速度、电流三闭环调节，位置环为外环，速度环和电流环均为内环实现同步电机的伺服控制。首先对已知的电机参数设定，如电机额定功率、电流、极对数；然后通过自学习对电机的初始位置、电阻、DQ轴电感、电机磁场等特殊参数进行辨识。通过这些参数即可构建电机的控制模型，电机从零矢量位置起动后，核心运算控制单元对每个载波周期采集过来的电流和电压进行矢量分解，电流信号Ia、Ib、Ic通过电流矢量分解CLARK变换转换到静止两相Iα、Iβ坐标系内， 再经过PARK变换将两相静止坐标系Iα、Iβ分量转到两相旋转坐标系ID、IQ分量，即电机磁场分量和转矩分量，这样即可通过电流环调节分别控制电机的磁场和转矩，以达到高精度控制电机的目的；电压信号Ua、Ub、Uc通过电压矢量分解CLARK变换后变成两相静止坐标系Uα、Uβ，静止坐标系Uα、Uβ和Iα、Iβ经过滑模观测器对速度位置估算后，再经卡尔曼滤波器转换成稳定的转速信号和位置信号THeta，位置信号THeta和速度给定信号经过综合处理后将信号输送给位置调节模块，稳定的转速信号传递给转速调节模块，ID、IQ分量信号传递给电流调节模块，位置调节模块产生的信号经转速调节模块、电流调节模块生成调节后的两相坐标系Id、Iq，由PARK逆变换模块产生调节后的三相电压信号UA、UB、UC，通过PWM输出模块、逆变驱动控制电路输出给三相逆变器控制永磁同步电机PMSM。而整个控制过程中转速和位置的反馈是靠滑模观测器和卡尔滤波器完成，实时电流和电压信号经过矢量分解后送到滑模观测器，滑模观测器是根据电流和电压的矢量相位角计算当前的位置及转速，因其为估算的实时值，受瞬态电流电压谐波、噪声等影响，与真实值会存在一定的误差，为获得更精确的角度和转速值，需要用卡尔曼滤波算法除去位置计算过程中的噪声干扰，卡尔曼滤波一种高效率的自回归数据处理算法，它通过循环获知上一时刻状态的估计值以及当前状态的观测值就可以计算出当前状态的估计值，能够有效去掉噪声的影响，从而获得最接近实际目标的估计值。 

通过以上滑动模型和卡尔曼滤波算法的综合处理，***能够在没有机械传感器反馈的情况下获得非常精确的电机实时位置和速度，然后经过三闭环PID调节，首先通过位置环调节，保证***静态精确度和动态跟踪性能，能够实现高精度距离控制，速度环保证了***抗负载扰动的能力实现平稳过渡，电流环能够抵制内部干扰，实现电机转矩的快速响应。经过三闭环控制，使电机在速度、转矩上都获得较高精度的控制，能够适应任何负载条件和环境限制，达到真正意义上的伺服控制。 

如图3所示采集的运行电流波形可以看出，***无需传感器，即可在很短的时间内起动到稳态下运行，实现完美的正弦波形输出。 

Claims (7)

1.一种交流伺服永磁同步电机控制***，包括有整流滤波单元、三相逆变器、核心运算控制单元、逆变驱动控制电路、通讯监视控制部分，通讯监视控制部分由显示操作面板和起停控制部分组成，其特征在于：显示操作面板与核心运算控制单元信号连接，起停控制部分与核心运算控制单元一输入端连接，核心运算控制单元一输出端与逆变驱动控制电路输入端连接，逆变驱动控制电路输出端与三相逆变器一输入端连接，三相电源经整流滤波单元与三相逆变器另一输入端连接，三相逆变器的输出端与数据采集电路输入端连接，数据采集电路输出端与核心运算控制单元另一输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种交流伺服永磁同步电机控制***，其特征在于：所述数据采集电路由三相电流采样电路和三相电压采样电路组成，三相逆变器的输出端分别与三相电流采样电路、三相电压采样电路输入端连接，三相电流采样电路、三相电压采样电路输出端分别与核心运算控制单元另一输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种交流伺服永磁同步电机控制***，其特征在于：所述核心运算控制单元为DSP数据信号处理器，处理器内的AD转换模块输入端与三相电流采集电路、三相电压采集电路的输入端连接，AD转换模块一输出端通过速度位置估算模块与位置调节模块连接，位置调节模块的输出端通过转速调节模块、电流调节模块、PWM输出模块与逆变驱动控制电路输入端连接，速度位置估算模块一输出端与转速调节模块一输入端连接，电流调节模块一输入端与AD转换模块一输出端连接，SCI通讯模块输出端通过速度给定模块与位置调节模块连接，显示操作面板与SCI通讯模块信号连接，IO控制模块与起停控制部分连接。

4.根据权利要求3所述的一种交流伺服永磁同步电机控制***，其特征在于：所述DSP数据信号处理器为32位DSP数据信号处理器。

5.根据权利要求3或4所述的一种一种交流伺服永磁同步电机控制***，其特征在于：所述位置估算模块由滑模观测器速度位置估算模块和卡尔滤波器位置转速输出模块组成，电压矢量分解CLARK变换模块两端连接滑模观测器速度位置估算模块和AD转换模块，滑模观测器速度位置估算模块通过卡尔滤波器位置速度输出模块与转速调节模块连接，位置调节模块输入端与卡尔滤波器位置速度输出模块连接，PARK变换模块两端连接有电流矢量分解CLARK变换模块和电流调节模块，PARK逆变换模块两端连接电流调节模块和PWM输出模块。

6.根据权利要求5所述的一种交流伺服永磁同步电机控制***，其特征在于：所述逆变驱动控制电路中设置有绝缘栅双极型晶体管IGBT作为功率开关器件。

7.根据权利要求6所述的一种交流伺服永磁同步电机控制***，其特征在于：三相逆变器的输出端与交流伺服永磁同步电机输入端连接。

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