CN105958875B - 一种无速度传感器永磁同步电机的高精度调速控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无速度传感器的永磁同步电机高精度调速控制方法，属于电机控制技术领域，本发明通过无速度传感器算法计算实时的电机转速和转子位置信息，当电机转速达到给定转速ω*±ω1范围内时，使用以下高精度调速方法进行调速：以电流环作为控制的内环，对电机的三相电流进行闭环调节；转速环、功角环作为外环，误差量通过调节器调节，输出值作为内环的电流给定值的幅值、相位信息；按照电机的给定转速输出恒定的频率信息作为内环的电流给定值的频率；按电流给定值的频率、相位、幅值信息，输出对应的三相正弦信号，作为电流环的给定输入。对比现有技术，本发明方法简单易施，能够实现永磁同步电机在无速度传感器的方式下，进行较高精度的调速。

Description

一种无速度传感器永磁同步电机的高精度调速控制方法
技术领域
本发明涉及一种无速度传感器的永磁同步电机的高精度调速控制方法，属于电机控制技术领域。
背景技术
高精度调速***应用十分广泛，许多现代测试计量***都需要一个高精度的转速基准作为驱动装置。永磁同步电机具有效率高、功率因数高、体积小、价格低、维护方便等优点，因此永磁同步电机变频调速***广泛应用于各种场合。由于永磁同步电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，***参数变化以及负载的扰动会影响***的性能，故高精度的调速***对于电机的转速与转子位置有着精确的要求。
随着微控制器的发展，永磁同步电机的无速度传感器调速方法得到了更多的研究。无速度传感器的控制方法大大简化了***硬件结构，降低了成本，并且安装维护方便，目前应用越来越广。
目前，永磁同步电机通常的控制方法主要有恒压频比控制、矢量控制以及直接转矩控制等等。这些方法各有特点，但普遍存在着控制运算量大、存在一定的转矩脉动的问题，使得永磁同步电机无法实现较高精度的调速。在航空航天、测试计量等对精度要求较高的领域中，通常需要利用高精度调速***得到一个可靠的转速基准。因此，目前迫切需要一种永磁同步电机的高精度调速控制方法。
发明内容
本发明的目的是为解决现有永磁同步电机控制方法调速精度不高的问题，提供了一种无速度传感器的永磁同步电机的高精度调速方法，该方法通过在电机实际转速达到给定转速附近时，切换至该方法控制，可使电机在此给定转速下，以较高的转速平稳性运行。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种无速度传感器的永磁同步电机的高精度调速控制方法，包括以下步骤：
步骤一、***实时监测永磁同步电机的实际转速，当实际转速ω达到给定转速ω*±ω1范围内后，由通常的永磁同步电机控制方法切换至高转速稳定性的控制方法，即转步骤二；
步骤二、在稳速控制中，采用电流环作为内环；转速环、功角环作为外环，输出幅值、相位信息，与给定的恒定频率信息合成，得到三相正弦信号作为电流环的给定值。
进一步，在步骤一中，电机的实际转速ω由无速度传感器算法进行计算得到。
进一步，在步骤一中，使用高精度调速方法的切换范围由ω1确定，根据不同的工作条件与用途，可以选择不同的值。
进一步，在步骤二中，所述给定的恒定频率信息为电机给定机械转速所对应的电频率信息。
进一步，步骤二中所述幅值、相位信息，与给定的恒定频率信息合成为将得到的电流幅值、相位、频率信息为通过正弦生成模块进行合成，输出三相正弦信号，具体表示如下：
iA *＝Asin(ωt+θ)
iB *＝Asin(ωt+θ-120°)
iC *＝Asin(ωt+θ+120°)
其中，ω、A、θ分别表示输入的频率、幅值、相位信息。
进一步，步骤二中所述电流环为将所述合成后的三相正弦信号作为电流环的三相给定电流iA*、iB*、iC*与采集到的三相实际电流iA、iB、iC进行比较，形成误差量，经过电流调节器ACR的调节，输出至电机驱动电路，由电机驱动电路将ACR的输出转换为驱动电机的三相电压uA、uB、uC；所述转速环为将给定转速ω*与实际转速ω进行比较，形成误差量，经过转速调节器ASR的调节，输出电流幅值信息；所述功角环为将给定功角与实际功角进行比较，形成误差量，经过功角调节器AδR的调节，输出电流相位信息。
进一步，所述电流调节器ACR、转速调节器ASR、功角调节器AδR均采用采用带限幅的比例积分调节器。
进一步，所述将给定功角与实际功角进行比较转换为给定A相电流相位θ*与电机的转子位置θ进行比较，以简化计算，同时获得最大电磁转矩输出。
有益效果
对比现有技术，本发明方法在硬件方面不需要速度传感器或位置传感器，简化了***硬件结构，节约了成本。通过此方法，永磁同步电机能够以较高的转速平稳性运行在给定转速，实现了高精度调速。
附图说明
图1是本发明实施例无速度传感器的永磁同步电机高精度调速方法的结构示意图；
图2是图1中正弦生成模块的具体实施方法示意图；
图3为采用本发明实施例所述高精度调速方法下的电机转速波动散点示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
如图1所示为无速度传感器的永磁同步电机高精度调速方法的结构示意图。
对永磁同步电机的三相电流iA、iB、iC和电压uA、uB、uC进行采集，通过无速度传感器算法进行计算，如图中转速、位置计算模块所示，得到电机的转速ω、转子位置信息θ。本实施例中，无速度传感器算法采用基于电机数学模型的估算方法，本实施例中电机的实际转速ω由采集得到的单相反电势信号的两相邻上升沿的时间差计算得到，单相反电势信号由该相相电压减去该相阻抗压降得到。当然，无速度传感器算法的选择不限于此，只要能够实现估算电机的转速、位置功能即可。
对电机转速ω进行实时监测，当转速ω处于给定转速ω*±ω1范围内时，认为电机运行接近稳定转速，使用高精度调速方法进行控制；当转速ω处于给定转速ω*±ω1范围之外时，使用通常的控制方法对电机进行控制；即切换范围由ω1确定，根据不同的工作条件与用途，可以选择不同的值。
控制部分采用电流环作为内环；转速环、功角环作为外环，输出幅值、相位信息；将幅值、相位信息与给定的恒定的频率信息，通过正弦生成模块，输出三相正弦信号。得到的三相正弦信号作为电流环的给定值。
电流环的具体说明如下：对电机的三相电流iA、iB、iC进行采集，作为电流环的实际反馈值；由正弦生成模块发出的iA*、iB*、iC*作为电流环的给定值；将给定值与实际值作差后，将误差值输入至电流调节器ACR中，电流调节器输出信号至电机驱动电路，由电机驱动电路将ACR的输出转换为驱动电机的三相电压uA、uB、uC；本实施例中，电流调节器采用带限幅的比例积分调节器，当然，电流调节器的选择不限于此，只要能够实现实际电流值快速跟随给定电流值的功能即可。
转速环的具体说明如下：通过无速度传感器算法得到的电机转速ω作为转速环的实际反馈值；给定转速ω*作为转速环的给定值；将给定值与实际值作差后，输入至转速调节器ASR中，转速调节器输出给定电流幅值信号i*幅值至正弦生成模块；本实施例中，转速调节器采用带限幅的比例积分调节器，当然，电流调节器的选择不限于此，只要能够实现实际转速跟随给定转速的功能即可。
功角环的具体说明如下：功角环的给定值δ*取值为90°，将给定值δ*与实际值δ作差后，输入至功角调节器AδR中，功角调节器输出给定电流相位信号i*相位至正弦生成模块；本实施例中，功角调节器采用带限幅的比例积分调节器，当然，功角调节器的选择不限于此，只要能够实现实际功角跟随给定功角的功能即可。其中，给定功角δ*为90°时，给定功角δ*与实际功角δ之差等于给定A相电流相位θ*与电机的转子位置θ之差。因此，功角调节器的输入量可用θ*与θ之差替代，从而简化计算。由于δ＝90°时电机的电磁转矩Te最大，所以功角环的作用为将电机的实际功角向90°调节，从而获得最大电磁转矩输出。
给定频率模块根据电机的给定转速，发送固定的与给定转速对应的电流频率信号i*频率至正弦生成模块。
将给定频率、转速环的输出值、功角环的输出值，即给定电流i*的频率、幅值、相位信息，输入至正弦生成模块。由正弦生成模块产生三相正弦信号，作为电流给定值送至电流环。如图2所示，输入的频率、幅值、相位以ω、A、θ表示，则输出的三相正弦信号可表示为：
iA *＝Asin(ωt+θ)
iB *＝Asin(ωt+θ-120°)
iC *＝Asin(ωt+θ+120°)
图3为采用上述本发明实施例高精度调速方法下的电机转速波动散点示意图。其中给定转速为12000rpm，实际转速波动的峰-峰值为1.8rpm，相对转速波动小于1.5*10-4。通过查阅文献可知，采用通常控制方法下的电机相对转速波动通常在10-3以上。实验结果表明：本发明相对于现有永磁同步电机控制方法，调速精度有所提高。
以上实施例仅供说明本发明，并不用以限制本发明，本领域的技术人员应当理解，凡在本发明的形式上和细节上对其作出的任何改变，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.无速度传感器的永磁同步电机的高精度调速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、实时检测永磁同步电机转速，当电机转速ω达到给定转速ω*±ω1范围内时，所述ω1为使用高精度调速方法的切换范围，转步骤二使用高精度调速方法进行调速；否则，使用通常的永磁同步电机控制方法对电机进行控制；所述步骤一中的永磁同步电机的实际转速ω由无速度传感器算法计算得到；
步骤二、电机转速ω达到给定转速ω*±ω1范围内时，采用电流环作为内环；转速环、功角环作为外环，输出幅值、相位信息，与给定的恒定频率信息合成，得到三相正弦信号作为电流环的给定值；
所述电流环为将所述合成后的三相正弦信号作为电流环的三相给定电流iA *、iB *、iC *与采集到的三相实际电流iA、iB、iC进行比较，形成误差量，经过电流调节器ACR的调节，输出至电机驱动电路，由电机驱动电路将ACR的输出转换为驱动电机的三相电压uA、uB、uC；所述转速环为将给定转速ω*与实际转速ω进行比较，形成误差量，经过转速调节器ASR的调节，输出电流幅值信息；所述功角环为将给定功角与实际功角进行比较，形成误差量，经过功角调节器AδR的调节，输出电流相位信息。
2.根据权利要求1所述的无速度传感器的永磁同步电机的高精度调速控制方法，其特征在于：所述无速度传感器算法的具体计算方式为由采集得到的单相反电势信号的两相邻上升沿的时间差计算得到，单相反电势信号由该相相电压减去该相阻抗压降得到。
3.根据权利要求1所述的无速度传感器的永磁同步电机的高精度调速控制方法，其特征在于：所述步骤一中，使用高精度调速方法的切换范围由ω1确定，根据不同的工作条件与用途，可以选择不同的值。
4.根据权利要求1所述的无速度传感器的永磁同步电机的高精度调速控制方法，其特征在于：步骤二中所述给定的恒定频率信息为电机给定机械转速所对应的电频率信息。
5.根据权利要求1所述的无速度传感器的永磁同步电机的高精度调速控制方法，其特征在于：步骤二中所述幅值、相位信息，与给定的恒定频率信息，通过正弦生成模块进行合成，输出三相正弦信号，具体表示如下：
iA *＝Asin(ωt+θ)
iB *＝Asin(ωt+θ-120°)
iC *＝Asin(ωt+θ+120°)
其中，ω、A、θ分别表示输入的频率、幅值、相位信息。
6.根据权利要求1所述的无速度传感器的永磁同步电机的高精度调速控制方法，其特征在于：所述电流调节器ACR、转速调节器ASR、功角调节器AδR均采用带限幅的比例积分调节器。
7.根据权利要求1所述的无速度传感器的永磁同步电机的高精度调速控制方法，其特征在于：所述将给定功角与实际功角进行比较转换为给定A相电流相位θ*与电机的转子位置θ进行比较，以简化计算，同时获得最大电磁转矩输出。
8.根据权利要求7所述的无速度传感器的永磁同步电机的高精度调速控制方法，其特征在于：所述电机的转子位置θ由无速度传感器算法计算得到。
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