CN111431455A - 基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法 - Google Patents

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CN111431455A CN202010246753.6A CN202010246753A CN111431455A CN 111431455 A CN111431455 A CN 111431455A CN 202010246753 A CN202010246753 A CN 202010246753A CN 111431455 A CN111431455 A CN 111431455A
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Abstract

本发明提供了一种基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，包括以下步骤：获取永磁同步电主轴的实际转速和设定转速；根据实际转速和设定转速的差值得到永磁同步电主轴的实际电磁转矩；基于最大转矩电流比控制，根据实际电磁转矩得到永磁同步电主轴的d轴电流和q轴电流；获取永磁同步电主轴的定子三相电流；根据定子三相电流得到永磁同步电主轴的闭环电流；根据d轴电流、q轴电流和闭环电流得到永磁同步电主轴的调节信号。本发明能够降低永磁同步电主轴的损耗，同时能够实现对d轴电流与q轴电流的独立控制，从而能够提高对永磁同步电主轴控制的准确性和稳定性，以提高基于永磁同步电主轴的数控加工的精度。

Description

基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电主轴控制技术领域，具体涉及一种基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法
背景技术
目前，在高精度数控机床中大多采用永磁同步电主轴，主要因为永磁同步电主轴具有结构简单、功率因素高、低速性能好、损耗小等优点，因此永磁同步电主轴在高精度和高可靠性要求场合获得广泛应用。但是，当前对于永磁同步电主轴的控制方法，难以实现对转矩电流和励磁电流的独立控制，导致控制的精度和稳定性不够，从而造成零件加工精度难以满足设计要求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，能够保证永磁同步电主轴在给定转矩的恒转矩运行区运行，并能够保证永磁同步电主轴的定子电流达到最小，从而能够降低永磁同步电主轴的损耗，同时能够实现对d轴电流与q轴电流的独立控制，从而能够提高对永磁同步电主轴控制的准确性和稳定性，以提高基于永磁同步电主轴的数控加工的精度。
为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，包括以下步骤：获取永磁同步电主轴的实际转速和设定转速；根据所述实际转速和所述设定转速的差值得到所述永磁同步电主轴的实际电磁转矩；根据所述实际电磁转矩得到所述永磁同步电主轴的d轴电流和q轴电流，其中，通过最大转矩电流比控制得到所述d轴电流和所述q轴电流；获取所述永磁同步电主轴的定子三相电流；根据所述定子三相电流得到所述永磁同步电主轴的闭环电流；根据所述d轴电流、所述q轴电流和所述闭环电流得到所述永磁同步电主轴的调节信号。
根据本发明实施例提出的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，通过获取永磁同步电主轴的实际转速和设定转速，并根据实际转速和设定转速得到永磁同步电主轴的实际电磁转矩，然后通过最大转矩电流比控制根据实际电磁转矩得到永磁同步电主轴的d轴电流和q轴电流，同时获取永磁同步电主轴的定子三相电流，并根据定子三相电流得到永磁同步电主轴的闭环电流，然后根据d轴电流、q轴电流和闭环电流得到永磁同步电主轴的调节信号，由此，能够保证永磁同步电主轴在给定转矩的恒转矩运行区运行，并能够保证永磁同步电主轴的定子电流达到最小，从而能够降低永磁同步电主轴的损耗，同时能够实现对d轴电流与q轴电流的独立控制，从而能够提高对永磁同步电主轴控制的准确性和稳定性，以提高基于永磁同步电主轴的数控加工的精度。
另外，根据本发明上述实施例提出的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，通过PI控制得到所述实际电磁转矩，所述PI控制的输入量包括所述实际转速和所述设定转速的差值。
进一步地，述最大转矩电流比控制采用牛顿迭代法解耦d-q轴电流。
进一步地，通过Clark and Park坐标变换得到所述闭环电流，所述Clark andPark坐标变换的输入量包括所述定子三相电流。
根据本发明的一个实施例，根据所述d轴电流、所述q轴电流和所述闭环电流得到所述永磁同步电主轴的矢量控制信号包括：根据所述d轴电流、所述q轴电流和所述闭环电流的电流差值得到所述永磁同步电主轴的直轴定子电压和交轴定子电压；根据所述直轴定子电压和所述交轴定子电压得到所述永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压；根据所述两相静止坐标系下的定子电压得到所述永磁同步电主轴的调节信号。
进一步地，通过电流调节得到所述直轴定子电压和所述交轴定子电压，所述电流调节的输入量包括所述d轴电流、所述q轴电流和所述闭环电流的电流差值。
进一步地，通过ANTI-PARK坐标变换得到所述永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压，所述ANTI-PARK坐标变换的输入量包括所述直轴定子电压和所述交轴定子。
进一步地，通过SVPWM变换得到所述永磁同步电主轴的调节信号，所述SVPWM变换的输入量包括所述两相静止坐标系下的定子电压。
附图说明
图1为本发明实施例的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法的流程图；
图2为本发明一个实施例的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法的流程图。
如图1所示，本发明实施例的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，包括以下步骤：
S1，获取永磁同步电主轴的实际转速和设定转速。
具体地，如图2所示，可通过转速估算模块获取永磁同步电主轴的实际转速Nerf，并可将实际转速Nerf与永磁同步电主轴的设定转速Nerf*进行做差。
S2，根据实际转速和设定转速的差值得到永磁同步电主轴的实际电磁转矩。
具体地，如图2所示，可将实际转速Nerf与设定转速Nerf*的差值作为输入量输入PI控制器，进而可通过PI控制器计算出永磁同步电主轴的实际电磁转矩Te*。其中，PI控制器可设置于转速环和电流环，根据转速和电流误差自动调制参数。
S3，基于最大转矩电流比控制，根据实际电磁转矩得到永磁同步电主轴的d轴电流和q轴电流。
具体地，如图2所示，可将实际电磁转矩Te*作为输入量输入最大转矩电流比控制模块，进而可通过最大转矩电流比控制模块计算出永磁同步电主轴的d轴电流和q轴电流，即id*和iq*。
S4，获取永磁同步电主轴的定子三相电流。
具体地，如图2所示，可通过对应永磁同步电主轴所在电路设置的电流检测电路来获取永磁同步电主轴的定子三相电流，即ia,ib,ic。
S5，根据定子三相电流得到永磁同步电主轴的闭环电流。
具体地，如图2所示，可将定子三相电流ia、ib、ic作为输入量输入Clark and Park坐标变换模块，进而可通过Clark and Park坐标变换模块变换得到永磁同步电主轴的闭环电流，即id和iq。
S6，根据d轴电流、q轴电流和闭环电流得到永磁同步电主轴的调节信号。
具体地，可先根据d轴电流、q轴电流和闭环电流的电流差值得到永磁同步电主轴的直轴定子电压和交轴定子电压，然后可根据直轴定子电压和交轴定子电压得到永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压，最后可根据两相静止坐标系下的定子电压得到永磁同步电主轴的调节信号。
更具体地，如图2所示，可先将d轴电流id*和闭环电流id做差得到相应的d轴电流差，并可将q轴电流iq*和闭环电流iq做差得到相应的q轴电流差；其次可将d轴电流差作为输入量输入第一电流调节器，通过第一电流调节器可计算得到永磁同步电主轴的直轴定子电压，即ud*，同时可将q轴电流差作为输入量输入第二电流调节器，通过第二电流调节器可计算得到永磁同步电主轴的交轴定子电压，即uq*；然后可将直轴定子电压ud*和交轴定子电压uq*作为输入量输入ANTI-PARK坐标变换模块，同时将定子磁链角度θ作为输入量输入ANTI-PARK坐标变换模块，进而通过ANTI-PARK坐标变换模块变换得到永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压，即uα*和uβ*；最后可将两相静止坐标系下的定子电压uα*和uβ*作为输入量输入SVPWM模块，可通过SVPWM模块得到永磁同步电主轴的调节信号，来调节逆变器上的功率开关器件，以实现永磁同步电主轴的矢量控制。
需要说明的是，本发明实施例提出的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，可使得永磁同步电主轴在给定转矩的恒转矩运行区运行时，其定子电流达到最小，从而能够保证永磁同步电主轴的铜耗最小，同时能够降低逆变器的损耗。
其中，永磁同步电主轴的给定电磁转矩为：
Figure BDA0002434165220000051
其中，Pn为永磁同步电主轴的极对数，
Figure BDA0002434165220000052
和
Figure BDA0002434165220000053
分别为永磁同步电主轴在α、β两相静止坐标系下的定子磁链，iα和iβ分别永磁同步电主轴在α、β两相静止坐标系下的定子电流。
进一步地，其中
Figure BDA0002434165220000054
和
Figure BDA0002434165220000055
的磁链方程为：
Figure BDA0002434165220000061
其中，uα和uβ为永磁同步电主轴在α、β两相静止坐标下的定子电压。
进一步地，其中iα、iβ和uα、uβ相关的电压方程为：
Figure BDA0002434165220000062
其中，R为定子电阻，ωe为转子角速度，
Figure BDA0002434165220000066
为永磁体磁链。
基于上述电压方程、磁链方程和给定转矩，可通过最大转矩电流比计算得到永磁同步电主轴定子电流的最小值。
其中，在d-q轴系下，定子电流为：
Figure BDA0002434165220000063
进一步地，可将求解定子电流最小值的问题转换为求解转矩最大值的问题：
Figure BDA0002434165220000064
与
Figure BDA0002434165220000065
进一步地，运用拉格朗日定理，可得：
Figure BDA0002434165220000071
进一步变换，可得：
Figure BDA0002434165220000072
由此，可得：
Figure BDA0002434165220000073
综上所述，可求得永磁同步电主轴的d-q轴电流，根据d-q轴电流即可求得永磁同步电主轴的可输出最大转矩。
进一步地，求解实际电磁转矩Te*和d轴电流和q轴电流id*和iq*之间的关系：
Figure BDA0002434165220000074
具体地，可采用牛顿迭代法进行近似计算，并结合上述给定电磁转矩方程，可得：
Figure BDA0002434165220000075
同时，可将f1(Te *)、f2(Te *)采用线性函数近似：
Figure BDA0002434165220000076
并将其分别代入上述给定电磁转矩方程和上述结合给定电磁转矩方程得到的公式中，可得：
Figure BDA0002434165220000081
与
Figure BDA0002434165220000082
进一步由公式
Figure BDA0002434165220000083
和
Figure BDA0002434165220000084
可得：
Figure BDA0002434165220000085
进一步地，可采用下列优化方程求解k1、k2：
Figure BDA0002434165220000086
并且，可将其代入上述公式
Figure BDA0002434165220000087
可得：
Figure BDA0002434165220000088
同时，可令s0＝-0.5pn(Ld-Lq)A3，
Figure BDA00024341652200000811
k0＝k1/k2，可得：
Figure BDA0002434165220000089
进一步地，可令偏导数为0，求的J(A)最大值为：
Figure BDA00024341652200000810
化简，可得：
F(k0)＝(s0 2-s1 2)k0 4-(2s0 2+s1 2)k0 2+s0 2＝0。
进一步地，可采用牛顿迭代法计算上述k0：
Figure BDA0002434165220000091
综上所述，可求得k1和k2值，即实际电磁转矩Te*和d轴电流和q轴电流id*和iq*之间的关系。
在本发明的一个具体实施例中，可通过实验获取永磁同步电主轴的相关参数，例如A＝25A，Ld＝0.7mh，Lq＝2.8mh，
Figure BDA0002434165220000093
pn＝2。
具体地，可将上述参数代入公式s0＝-0.5pn(Ld-Lq)A3，
Figure BDA0002434165220000094
以求得s0和s1值。
进一步地，可将求得的s0和s1值代入下列公式：
Figure BDA0002434165220000092
求得k0＝0.4729；
进一步地，可将k0＝0.4729代入公式k0＝k1/k2，k1 2+k2 2＝1：
求得k1＝0.645735，k2＝0.76356。
综上所述，可知采用牛顿迭代法能够使得转矩电流近似关系表达的更为准确，从而能够提高运算效率，并能够提高基于永磁同步电主轴的数控加工的精度。
根据本发明实施例提出的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，通过获取永磁同步电主轴的实际转速和设定转速，并根据实际转速和设定转速得到永磁同步电主轴的实际电磁转矩，然后通过最大转矩电流比控制根据实际电磁转矩得到永磁同步电主轴的d轴电流和q轴电流，同时获取永磁同步电主轴的定子三相电流，并根据定子三相电流得到永磁同步电主轴的闭环电流，然后根据d轴电流、q轴电流和闭环电流得到永磁同步电主轴的调节信号，由此，能够保证永磁同步电主轴在给定转矩的恒转矩运行区运行，并能够保证永磁同步电主轴的定子电流达到最小，从而能够降低永磁同步电主轴的损耗，同时能够实现对d轴电流与q轴电流的独立控制，从而能够提高对永磁同步电主轴控制的准确性和稳定性，以提高基于永磁同步电主轴的数控加工的精度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取永磁同步电主轴的实际转速和设定转速；
根据所述实际转速和所述设定转速的差值得到所述永磁同步电主轴的实际电磁转矩；
基于最大转矩电流比控制，根据所述实际电磁转矩得到所述永磁同步电主轴的d轴电流和q轴电流；
获取所述永磁同步电主轴的定子三相电流；
根据所述定子三相电流得到所述永磁同步电主轴的闭环电流；
根据所述d轴电流、所述q轴电流和所述闭环电流得到所述永磁同步电主轴的调节信号。
2.根据权利要求1所述的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，其特征在于，其中，通过PI控制得到所述实际电磁转矩，所述PI控制的输入量包括所述实际转速和所述设定转速的差值。
3.根据权利要求2所述的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，其特征在于，其中，所述最大转矩电流比控制采用牛顿迭代法解耦d-q轴电流。
4.根据权利要求3所述的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，其特征在于，其中，通过Clark and Park坐标变换得到所述闭环电流，所述Clark and Park坐标变换的输入量包括所述定子三相电流。
5.根据权利要求1所述的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，其特征在于，根据所述d轴电流、所述q轴电流和所述闭环电流得到所述永磁同步电主轴的矢量控制信号包括：
根据所述d轴电流、所述q轴电流和所述闭环电流的电流差值得到所述永磁同步电主轴的直轴定子电压和交轴定子电压；
根据所述直轴定子电压和所述交轴定子电压得到所述永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压；
根据所述两相静止坐标系下的定子电压得到所述永磁同步电主轴的调节信号。
6.根据权利要求5所述的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，其特征在于，其中，通过电流调节得到所述直轴定子电压和所述交轴定子电压，所述电流调节的输入量包括所述d轴电流、所述q轴电流和所述闭环电流的电流差值。
7.根据权利要求6所述的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，其特征在于，其中，通过ANTI-PARK坐标变换得到所述永磁同步电主轴在两相静止坐标系下的定子电压，所述ANTI-PARK坐标变换的输入量包括所述直轴定子电压和所述交轴定子。
8.根据权利要求7所述的基于最大转矩电流比控制的永磁同步电主轴矢量控制方法，其特征在于，其中，通过SVPWM变换得到所述永磁同步电主轴的调节信号，所述SVPWM变换的输入量包括所述两相静止坐标系下的定子电压。
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