CN112039384A - 一种高效率伺服驱动控制*** - Google Patents

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丁海妮
宋方
李方昊
赵舒芸
刘继峰
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Abstract

本发明公开一种高效率伺服驱动控制***，该***用于对伺服电机动作的一种控制***，该***通过对电流、速度、位置环等的设计完成稳定的控制***。在三环的设计中电流环对***性能有着至关重要的影响，因此在电流环的设计中，采用一种先进理论的场定向控制算法，其中包含发波算法和坐标变换算法。坐标变换算法将采集电流转换为两相旋转坐标系下的电流信号，经过力矩调节器整定、IPark变化得到Vα、Vβ电压，再利用发波模块算法对Vα、Vβ电压计算，使能分别输出1对两两互补且带死区的PWM波，以此控制逆变器工作，驱动电机动作。本发明的伺服驱动***是在保证控制***中的电流控制性能和***响应精度的同时，可提高伺服控制***的效率。

Description

一种高效率伺服驱动控制***
技术领域
本发明涉及伺服控制技术领域，特别是涉及一种基于先进控制理论的高效率的伺服驱动控制***。
背景技术
伺服控制***是一种自动控制***，可使被控对象精确的呈现出输入控制指令的状态，自近代工业兴起后，伺服控制***从原来的机械、液压到现在的电气化的阶段，被广泛应用于力矩电机、永磁电机的控制中，目前市场上的伺服控制***在控制电机动作的过程中，控制***存在着转矩响应速度低、转矩波动系数大、低效能等缺点，为了提高伺服控制***在电机动作中的高效率，一种基于先进控制理论的伺服控制***方法就逐渐成为关键。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种高效率伺服驱动控制***，在保证伺服控制***中的电流控制性能和***响应精度的同时，提高了伺服控制***的高效率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括：
当上位***下达数字量信号指令给驱动***；
驱动***中的信号处理板将接收到的数字量信号转化为位置信号作为位置调节器的输入，与编码器反馈回来位置信号相比较，输出量作为位置调节器的给定信号，经过位置调节器的PID调节，输出位置环的确定值；
进一步将位置环输出的给定值作为速度调节器的输入，通过与转速计算模块输出值相比较，输出交轴电流分量作为速度调节器的给定信号；经过速度调节器的PID调节，输出速度环的确定值；
进一步的，将速度环输出的交轴电流信号与“变换后的交轴电流”相比较，经过交轴力矩调节器PI调节输出交轴电压Vq；“给定的d轴电流”与“变换后得到的直轴电流”相比较，经过直轴力矩调节器PI调节输出直轴电压Vd；
进一步的，将交、直轴力矩调节器经过PI算法处理后输出的电压Vq、Vd值输入到场定向控制算法模块中，通过对其进行电机的三相电压、电流和磁通数学策略的空间矢量分析，产生3对两两互补且带死区的PWM波，这3对共6路PWM控制信号逆变器工作，逆变器输出3相交流电驱动永磁同步电机。
本发明的有益效果是：本发明是一种高效率的伺服控制***，采用先进理论的控制技术一种新型的发波算法，与传统的正弦PWM发波算法相比，本算法着重考虑驱动器三相输出电压的整体效果，使得电机获得理想的圆形磁链轨迹，把交流电机通入三相对称正弦波电压时产生的磁通圆作为基准，用逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，实现“磁链跟踪控制”。逆变器和电机在该控制策略下被看做是一个整体，因此所得模型比较简单，这样方便微处理器进行实时控制。此方法电压利用率较高，并且控制电机产生的转矩脉动比较小，噪音较小，创造了具有节能、成本低、效率及精度高的伺服驱动***。
附图说明
图1是本发明的一种***原理图；
图2是本发明的永磁同步电机坐标关系图；
图3是本发明的场定向算法中的三相静止坐标系；
图4是本发明的场定向算法中的两相静止坐标系。
【附图标记说明】
1、上位机指令；2、位置调节器；3、编码器；4、编码器反馈位置值；5、速度调节器；6、转速计算模块；7、场定向控制算法的发波算法模块；8、给定电流值；9、力矩调节器；10、场定向控制算法模块中的坐标变化模块；11、逆变器；12、永磁同步电机。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种高效率的伺服驱动控制***，如图2所示，可详述为如下：
当上位***下达指令1，数字量信号给驱动***，控制永磁同步电机12动作时，驱动***中的信号处理板将接收到的数字量信号转化为位置信号作为位置调节器2的输入，与编码器反馈值4相比较，比较值作为位置调节器2的给定信号，经过位置调节器2的PID调节，输出位置环的确定值；闭环位置环控制器。
进一步的对速度环进行设计，速度环的输入是位置环的输出值与转速计算模块6的计算值相比较，对于转速计算模块6的参数取值，是根据对定子侧电流或者电压的控制，由于定子侧的各物理量(电压、电流、磁链等)都是交流量，其空间矢量以同步转速旋转，计算和控制都不方便。为了简化和求解永磁同步电机的数学模型，必须运用电机坐标变换理论对永磁同步电机12三相坐标系的基本方程进行线性变换，实现电机数学模型的解耦。常用的永磁同步电机12坐标系及其关系如图2所示，永磁同步电机12的三相定子绕组在空间上互差2/3π，沿其轴线分别定义为A、B、C轴，则构成了一个A—B—C坐标系，具体的如图3所示。又由于数学上平面矢量多用两相直角坐标系来描述，所以又定义了α一β坐标系。具体如图4所示。该坐标系放在电机定子上，α轴与A相重合，β轴超前α轴90。采用两相等效正交绕组来代替三相绕组，实现三相定子绕组之间互感的解耦，可以起到简化电机数学模型的作用。
进一步的对力矩环的设计，其中力矩调节器9涉及到场定向控制算法的设计，首先是场定向控制算法的坐标变换模块10的设计，主要根据逆变器11中三相输出采样的电流Ia、Ib、Ic经过Clarke变换为两相静止坐标系下间隔π/2的电流信号，然后与“转子相对于定子的角度”经过Park变换转换为两相旋转坐标系下的电流信号，“给定的d轴电流值”与“变换后得到的直轴电流值”相比较，经过直轴力矩调节器9PI调节输出直轴电压Vd；由“速度环输出的交轴电流信号”与“变换后的交轴电流”相比较，经过交轴力矩调节器9PI调节输出交轴电压Vq，力矩调节器输出的Vd、Vq电压与“转子的电角度”经IPark变化得到Vα、Vβ电压，这种算法可以提升母线电压利用率，从而实现提升能量利用效率的目的。
进一步的根据场定向控制算法中发波算法模块7生成控制逆变器11开关方波的开关比例Ta、Tb、Tc，通过对DSP中PWM全比较单元的开关比例Ta、Tb、Tc控制计算，将结果输入到DSP的PWM模块，PWM模块中的三个全比较器分别输出一对两两互补且带死区的PWM波，这三对共六路PWM控制信号逆变器11工作，逆变器11输出三相交流电驱动交流电机12开始动作。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种高效率的伺服控制***，其特征在于：该***是上位***下达数字量信号位置指令给驱动***的位置调节器(2)，驱动***中的信号处理板将接收到的数字量信号转化为位置信号(1)作为位置调节器(2)的输入，与编码器(3)反馈回来位置信号(4)相比较，输出量作为所述位置调节器(2)的给定信号，将所述位置调节器(2)的输出信号作为速度调节器(5)的输入，通过转速计算模块(6)输出值相比较，输出交轴电流分量作为所述速度调节器(5)的给定信号，将场定向控制算法坐标变化模块(10)的参数经过处理，与给定的电流值(8)相比较，输出量作为力矩调节器(9)的给定信号，将力矩调节器(9)输出信号作为场定向控制算法的发波算法模块(7)的输入，采用这种发波算法生成PWM波来控制逆变器(11)工作，所述逆变器(11)输出三相交流电驱动永磁同步电机(12)动作。
2.按照权利要求1所述的高效率的伺服控制***，其特征在于：场定向控制算法模块的参数输入的电流Ia、Ib、Ic首先经过场定向控制算法坐标变换模块(10)中CLARKE变换变为两相静止坐标系下相位差为90°的电流信号，然后与“转子相对于定子的角度”经过PARK变换转换为两相旋转坐标系下的电流信号，“给定的d轴电流”与“变换后得到的直轴电流”相比较，经过直轴力矩调节器(9)PI调节输出直轴电压Vd；由“速度环输出的交轴电流信号”与“变换后的交轴电流”相比较，经过交轴力矩调节器(9)PI调节输出交轴电压Vq。
3.按照权利要求2所述的高效率的伺服控制***，其特征在于：Vd、Vq电压与“转子的电角度”经IPARK变化得到Vα、Vβ电压，再经过场定向控制算法中发波算法模块(7)，产生用于控制逆变器(11)开关方波的开关比例Ta、Tb、Tc。
4.按照权利要求3所述的高效率的伺服控制***，其特征在于：Ta、Tb、Tc即为DSP中PWM全比较单元的开关比例，输入到DSP的PWM模块，PWM模块中的3个全比较器分别输出1对两两互补且带死区的PWM波，这3对共6路PWM控制信号逆变器(11)工作，逆变器(11)输出3相交流电驱动永磁同步电机(12)。
5.按照权利要求1所述的高效率的伺服控制***，其特征在于：所述逆变器(11)采用的是智能功率模块IPM，其在内部集成了驱动电路及对应的隔离电路，且具有过压、过电流、过热、欠压等故障检测电路，这种集成智能的模块不仅缩小驱动***的总体结构尺寸，且减小导通损耗提高驱动驱动的效率。
6.按照权利要求1所述的高效率的伺服控制***，其特征在于：转速计算模块(6)中设计中，采用脉冲发生器检测，利用霍尔元器件，在电机转动时根据电机轴上的小磁片与霍尔传感器的响应，产生一个脉冲，通过检测脉冲数与确定经理时间，计算转速。这种方式首先是安装的尺寸小，有灵敏的磁特性，响应速度快，提高高低转速下的测量精度。
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