CN112928954A - 一种无位置传感器的电机控制方法及*** - Google Patents
一种无位置传感器的电机控制方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无位置传感器的电机控制方法及***,所述方法包括:检测电机的三相电流,经过坐标变换得到α,β轴的电流和电压;计算α,β轴的反电动势;根据α,β轴的反电动势,基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值;对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值;将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差,将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差,通过PID控制实现对电机的转速和转角的控制。本发明的无位置传感器的电机控制方法,能够在没有位置传感器的情况下实现电机速度和位置的控制。
Description
技术领域
本发明涉及机电控制领域,具体涉及一种无位置传感器的电机控制方法及***。
背景技术
电机在航空领域的应用包括:
1)卫星上天线展开机构、位姿控制***;
2)飞船上空调***、仪表随动***、机械臂***;
3)月球车上的驱动***、展开机构;
4)各种生命保障***、转化泵***、冷却***、推进***、布署/回收***、空间机器人***等等。
航天领域常用电机转动机构组合形式包括:步进电机和机械式传感器,同步电机和机械式传感器;其中电机提供转动力矩,机械式传感器提供位置信号。
而机械式位置传感器存在以下问题:
1)加大了电机空间尺寸和重量,增加电机转子轴上的转动惯量,某些高精度传感器的重量甚至超过电机本身。
2)增加了电机与控制***之间的连接线和接口电路,增加了控制电路的复杂度,降低了可靠性。
3)受机械传感器使用条件如温度、湿度和振动的限制,调速***不能广泛适应各种场合。
4)机械传感器及其辅助电路增加了调速***的成本,某些高精度传感器的价格甚至可与电机本身价格相比。
无刷直流电机的控制往往需要在电机轴上安装位置传感器。由此带来体积和重量的增加。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷,提出了一种无需位置传感器的电机控制方法,可以实现无位置传感器的电机控制。
为实现上述目的,本发明提出了一种无位置传感器的电机控制方法,所述方法包括:
检测电机的三相电流,经过坐标变换得到α,β轴的电流和电压;
计算α,β轴的反电动势;
根据α,β轴的反电动势,基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值;
对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值;
将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差,将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差,通过PID控制实现对电机的转速和转角的控制。
作为上述方法的一种改进,所述计算α,β轴的反电动势;具体为:
计算α,β轴的反电动势Eα,Eβ:
其中,iα,iβ为α,β轴的电流,uα,uβ为α,β轴的电压;Ld,Lq分别为d轴电感和q轴电感;为α,β轴的电流误差;ωe为计算出的电机角速度;R为电阻;分别为α,β轴的定子电流;K为滑模观测器正增益系数;sat(s)为正弦型饱和函数;s为滑模面;Δ为边界层。
作为上述方法的一种改进,所述根据α,β轴的反电动势,基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值;具体包括:
根据α,β轴的反电动势Eα,Eβ,以及电机角速度ωe,根据下述电机估计转速方程:
本发明还提供了一种无位置传感器的电机控制***,所述***包括:单片机、检测模块、计算模块和PID控制器;
所述单片机中存储设定的电机转速与电机转角;
检测模块,用于检测电机的三相电流;
计算模块,用于过坐标变换得到α,β轴的电流和电压;计算α,β轴的反电动势;根据α,β轴的反电动势,基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值;对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值;将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差,将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差;
PID控制器,用于基于转速偏差和转角偏差实现对电机的转速和转角的控制。
作为上述***的一种改进,所述计算α,β轴的反电动势;具体为:
计算α,β轴的反电动势Eα,Eβ:
其中,iα,iβ为α,β轴的电流,uα,uβ为α,β轴的电压;Ld,Lq分别为d轴电感和q轴电感;为α,β轴的电流误差;ωe为计算出的电机角速度;R为电阻;分别为α,β轴的定子电流;K为滑模观测器正增益系数;sat(s)为正弦型饱和函数;s为滑模面;Δ为边界层。
作为上述***的一种改进,所述根据α,β轴的反电动势,基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值;具体包括:
根据α,β轴的反电动势Eα,Eβ,以及电机角速度ωe,根据下述电机估计转速方程:
本发明的优势在于:
1、本发明的无位置传感器的电机控制方法,能够在没有位置传感器的情况下实现电机速度和位置的控制;
2、本发明的方法适用于对位置精度要求不高、但对体积重量要求较高的场合;
3、本发明实现了一种无位置传感器的电机控制***,该***减少电机的体积和重量,具有轻便和小巧的优点。
附图说明
图1为本发明的无位置传感器的电机控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
在常见的直流无刷电机控制中,往往在电机轴上加装位置传感器,通过检测转子位置并传给计算机,计算出转子角度、转速等信息。本发明采用不同于传统电机的控制方式,不使用位置传感器,就可以实现对电机转子位置和速度的控制,实现了无位置传感器的电机控制方法。
无位置传感器电机控制***的原理为:电机反电动势中包含了转子的位置和速度信息,通过采集三相电机的相电流,估算转子位置,对位置进行微分,得出速度。估算转子位置采用卡尔曼滤波法。
如图1所示,本发明提出了一种无位置传感器的电机控制方法,包括:
步骤1)检测电机的三相电流ia,ib,ic,经过坐标变换得到α,β轴的电流iα,iβ,并得到α,β轴的电压uα,uβ;
三相电流ia,ib,ic涉及abc三轴坐标系,轴之间的夹角120°;使用复数坐标系表示,相位相隔120°;通过坐标变换,变成直角坐标系αβ下的夹角90°的电流iα,iβ;相位相隔90°。
步骤2)计算α,β轴的反电动势Eα,Eβ:
其中,Ld,Lq分别为d轴电感和q轴电感;为α,β轴的电流误差;ωe为计算出的电机角速度;R为电阻;分别为α,β轴的定子电流;K为滑模观测器正增益系数;sat(s)为正弦型饱和函数;s为滑模面;Δ为边界层;
步骤3)根据反电动势Eα,Eβ,根据以下电机估计转速方程
步骤5)将设定的转速与转角与当前估计的转速与转角分别相减,得到偏差,通过PID控制可以实现对电机的转速和转角的控制,构成转速、位置的闭环,实现无位置控制。
本发明还提供了一种无位置传感器的电机控制***,所述***包括:单片机、检测模块、计算模块和PID控制器;
单片机中存储设定的电机转速与电机转角;
检测模块,用于检测电机的三相电流;
计算模块,用于过坐标变换得到α,β轴的电流和电压;计算α,β轴的反电动势;根据α,β轴的反电动势,基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值;对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值;将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差,将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差;
所述计算α,β轴的反电动势;具体为:
计算α,β轴的反电动势Eα,Eβ:
其中,iα,iβ为α,β轴的电流,uα,uβ为α,β轴的电压;Ld,Lq分别为d轴电感和q轴电感;为α,β轴的电流误差;ωe为计算出的电机角速度;R为电阻;分别为α,β轴的定子电流;K为滑模观测器正增益系数;sat(s)为正弦型饱和函数;s为滑模面;Δ为边界层。
所述根据α,β轴的反电动势,基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值;具体包括:
根据α,β轴的反电动势Eα,Eβ,以及电机角速度ωe,根据下述电机估计转速方程:
所述PID控制器,用于基于转速偏差和转角偏差实现对电机的转速和转角的控制。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种无位置传感器的电机控制方法,所述方法包括:
检测电机的三相电流,经过坐标变换得到α,β轴的电流和电压;
计算α,β轴的反电动势;
根据α,β轴的反电动势,基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值;
对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值;
将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差,将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差,通过PID控制实现对电机的转速和转角的控制。
4.一种无位置传感器的电机控制***,其特征在于,所述***包括:单片机、检测模块、计算模块和PID控制器;
所述单片机中存储设定的电机转速与电机转角;
所述检测模块,用于检测电机的三相电流;
所述计算模块,用于过坐标变换得到α,β轴的电流和电压;计算α,β轴的反电动势;根据α,β轴的反电动势,基于电机估计转速方程计算电机转速的估计值;对电机转速的估计值进行积分得到电机转角的估计值;将设定的电机转速与电机转速的估计值相减得到转速偏差,将设定的电机转角与电机转角的估计值相减得到转角偏差;
所述PID控制器,用于基于转速偏差和转角偏差实现对电机的转速和转角的控制。
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