永磁同步電機準無傳感器位置伺服控制裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種永磁同步電機準無傳感器位置伺服控制裝置，包括設置有HALL傳感器的永磁同步電機等；HALL傳感器與準無傳感器控制模塊相連接，準無傳感器控制模塊分別與第五減法器、位置/速度一體化控制器、第三減法器、第四減法器、PI調節器和IPark變換模塊相互連接；第五減法器和位置/速度一體化控制器相連接；位置/速度一體化控制器和第三減法器相連接；PI調節器分別和第三減法器、第四減法器和IPark變換模塊相連接；IPark變換模塊和空間矢量調制模塊相連接，空間矢量調制模塊和三相逆變器相連接，三相逆變器和永磁同步電機相連接。
【專利說明】永磁同步電機準無傳感器位置伺服控制裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及紡織機械機電一體化技術，尤其涉及一種適合紡織機械點到點運動的 永磁同步電機準無傳感器位置伺服控制裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著紡織行業節能、高效率、高速度、高精度等要求的不斷提出，永磁交流伺服系 統因其自身具有的高功率因數、高效率、高動態響應、高可靠性、高過載能力和高輸出轉矩 等優點，在紡織機械中得到應用已成為了一種趨勢，是未來大批量應用的核心技術之一，市 場前景非常廣闊。但某些紡織機械存在一些特殊工況：如經編機運行時要在橫移系統時間 內驅動梳柿完成"停止一運動一停止"的墊紗運動，需要有極商的響應速度和定位精度，驅 動系統定位時間的快慢直接影響了經編機生產速度的提高；縫紉機運行過程電機啟動停 止非常頻繁，屬于間歇作業，其工藝過程要求其主傳動機構有較高的定位控制，幾百ms內 實現從零速到最高運行速度的啟動或者從最高運行速度到零速的停機，且停車精度小于 ±3°或者更小；目前針對繡花機繡花框的控制國內外學者提出了雙軸伺服驅動的概念，用 一個DSP+CPLD控制兩個伺服電機運行的方式來帶動繡花框運行，原來傳統的位置、速度、 電流三環控制理論在編程實現時會顯的資源緊張從而降低了伺服系統。而且繡花機繡花 框只對位置控制有要求，且隨著繡花機高效率、高精度的發展，繡花框為了與主電機協調運 行，對位置控制要求的響應速度會越來越高，等等。這些紡織機械都有一個共同的特點，它 要求伺服系統的位置響應動態性能極高，跟隨誤差要小，且具有較強的抗干擾能力，而對 速度控制要求不高，這點比較符合伺服系統作點到點（點位）運動的特點。而傳統位置、速 度、電流三環控制結構的位置伺服系統（附圖1)在作點位運動時，速度閉環不僅沒有發揮 作用，還作為控制結構中的串聯環節降低了系統位置調節的動態響應性能。為此，需要找 尋一種新的方法提高系統的位置響應性能。以此同時，紡織機械(如前面提到的經編機、繡 花機等）常常會要求在高溫、低溫、污濁空氣等工作環境以及存在機械震動的工作條件下 運行，物理傳感器的存在反而導致了系統應用的局限性。如果能取消物理傳感器無疑能擴 大系統的應用范圍，同時也可提高系統的可靠性以及環境適應性。且紡織行業是一個價格 敏感型行業，盡可能降低控制成本是所有企業所追求的。為此，某些點位運動場合運用的 伺服系統在提高位置響應性能的基礎上需無傳感器控制的技術，如專利文獻1 (專利號為 200910090386. 9)和專利文獻2 (專利號為200510108039. 6)提出了一種不需電流傳感器的 交流伺服驅動器，可以實現隱極式永磁同步電機的無電流傳感器速度閉環矢量控制，降低 了調速系統的硬件成本，但專利文獻1和2保留了位置檢測單元，總的控制成本還是較高， 在一些對成本要求較高的紡織場合應用并不合適。
【發明內容】
[0003] 本發明要解決的技術問題是提供一種反應速度更快的點位運動的永磁同步電機 準無傳感器位置伺服系統及其控制方法。
[0004] 為了解決上述技術問題，本發明提供一種永磁同步電機準無傳感器位置伺服控 制裝置，包括PI調節器、IPark變換模塊、空間矢量調制模塊、三相逆變器、永磁同步電機、 HALL、準無傳感器控制模塊、第三減法器、第四減法器、第五減法器和位置/速度一體化控 制器；所述HALL設置在永磁同步電機本體上，永磁同步電機工作時，通過HALL15輸出離散 的HALL位置信號Iw ;所述準無傳感器控制模塊接受離散的HALL位置信號Iat、q軸電壓 給定Uq和d軸電壓給定Ud，經準無傳感器控制模塊運算后，輸出實際的轉子位置信號Θ m、 實際的d軸電流信號id、實際的q軸電流信號i,和永磁同步電機的負載力矩IY ;所述第五 減法器接受給定位置信號Θ:和轉子位置信號θπ，并對兩者作差運算輸出位置誤差信號 Θ Θ m ;所述位置/速度一體化控制器接受位置誤差信號Θ θ m、實際的q軸電流信號iq 和負載力矩?Υ，經運算輸出永磁同步電機的給定的q軸電流信號所述第三減法器接受給 定的q軸電流信號ζ和實際的q軸電流信號i,，并對兩者作差運算輸出q軸電流的誤差信 號< 所述第四減法器接受給定的d軸電流信號^=O和實際的d軸電流信號i d，并對兩 者作差運算輸出d軸電流的誤差信號ζ 所述PI調節器分別接受d軸電流的誤差信號 I: -^和q軸電流的誤差信號ζ Ii *并經運算分別輸出q軸電壓給定Uq和d軸電壓給定Ud ; 所述IPark變換模塊接受q軸電壓給定Uq和d軸電壓給定Ud，經運算輸出靜止兩相坐標系 下的電壓分量Ua和電壓分量U0 ;所述空間矢量調制模塊接受靜止兩相坐標系下的電壓分 量Ua和電壓分量U0輸入，經運算輸出三相逆變器的六路控制信號；所述三相逆變器接受 空間矢量調制模塊輸出的六路控制信號，驅動永磁同步電機運行。
[0005] 作為對一種永磁同步電機準無傳感器位置伺服控制裝置的改進：位置/速度一體 化控制器的實現方法如下；
[0006] 第一步，獲得電機的運動方程為：
【權利要求】
1. 永磁同步電機準無傳感器位置伺服控制裝置，其特征是：包括PI調節器（3)、IPark 變換模塊（4)、空間矢量調制模塊（5)、三相逆變器（6)、永磁同步電機（12)、HALL (15)、準 無傳感器控制模塊（14)、第三減法器、第四減法器、第五減法器和位置/速度一體化控制器 (13);所述HALL (15)為HALL傳感器； 所述HALL (15)設置在永磁同步電機（12)本體上，永磁同步電機（12)工作時，通過 HALL (15)輸出離散的HALL位置信號 所述準無傳感器控制模塊（14)接受離散的HALL位置信號I、q軸電壓給定Uq和d軸 電壓給定ud，經準無傳感器控制模塊（14)運算后，輸出實際的轉子位置信號0 m、實際的d 軸電流信號id、實際的q軸電流信號和永磁同步電機（12)的負載力矩IY ; 所述第五減法器接受給定位置信號0_；和轉子位置信號0m，并對兩者作差運算輸出 位置誤差信號0 0 m ; 所述位置/速度一體化控制器（13)接受位置誤差信號e 0 m、實際的q軸電流信號 和負載力矩IV，經運算輸出永磁同步電機（12)的給定的q軸電流信號 所述第三減法器接受給定的q軸電流信號(丨和實際的q軸電流信號，并對兩者作差 運算輸出q軸電流的誤差信號< 所述第四減法器接受給定的d軸電流信號￠=0和實際的d軸電流信號id，并對兩者作 差運算輸出d軸電流的誤差信號$ Id I 所述PI調節器（3)分別接受d軸電流的誤差信號I】和q軸電流的誤差信號$ ， 并經運算分別輸出q軸電壓給定Uq和d軸電壓給定Ud ; 所述IPark變換模塊（4)接受q軸電壓給定Uq和d軸電壓給定ud，經運算輸出靜止兩 相坐標系下的電壓分量Ua和電壓分量U0 ; 所述空間矢量調制模塊（5)接受靜止兩相坐標系下的電壓分量Ua和電壓分量U0輸 入，經運算輸出三相逆變器（6)的六路控制信號； 所述三相逆變器（6)接受空間矢量調制模塊（5)輸出的六路控制信號，驅動永磁同步 電機（12)運行。
2. 根據權利要求1所述永磁同步電機準無傳感器位置伺服控制裝置，其特征是：位置/ 速度一體化控制器（13)的實現方法如下； 第一步，獲得電機的運動方程為：
結合式（1)、式（2)得：
根據以上公式就可實現位置/速度的一體化控制； 所述Tej為永磁同步電機（12)的輸出轉矩，J為電機慣量，P為電機極對數，Wa為永磁 體磁鏈，C1和C1為常數。
3.根據權利要求1所述永磁同步電機準無傳感器位置伺服控制裝置，其特征是：準無 傳感器控制模塊（14)由相互信號連接的相電流重構模塊（16)和全維觀測器轉子位置信息 估算模塊（17)組成；所述全維觀測器轉子位置信息估算模塊（17)接受實際的q軸電流信 號和離散的HALL位置信號;所述全維觀測器轉子位置信息估算模塊（17)輸出實際的 轉子位置信號匕、負載力矩IY和永磁同步電機（12)的實際速度;所述相電流重構模 塊（16)接受實際速度《m、q軸電壓給定Uq和d軸電壓給定ud;所述相電流重構模塊（16) 輸出實際的d軸電流信號id、實際的q軸電流信號; 所述相電流重構模塊（16)的實現方法如下：
所述La、〇a、Ra分別為永磁同步電機（12)的電感、磁鏈和電阻； 所述全維觀測器轉子位置信息算法估算模塊（17)的實現方法如下： 同樣由電機學原理知，永磁同步電機（12)的運動學方程為： Jdcoffl/dt+Bfflcoffl+TL = Te (12) d 9 m/dt = wm (13) 所述Bm為粘性阻尼系數； 因為控制器的采樣頻率遠遠高于擾動轉矩的變化時間，所以負載擾動轉矩作為一個狀 態變量，可假定它是一個恒值，即負載擾動轉矩對時間的微分為零； 設： dTL/dt = O (14) 由（12)和（13)得電機的動力學狀態方程式：
式（15)的輸入變量為輸出轉矩I；，狀態變量為機械角位置（為輸出實際的轉子位置信 號9上機械角速度（為實際速度和負載擾動轉矩（為負載力矩IV)，輸出變量為機械 角位置（為輸出實際的轉子位置信號0m); 式（5)可寫為式（16):
其中，i = x-.{?為觀測誤差；其特征方程為： det [si- (A-KC) ]= S3+ (!^+BnZJ) S2+ (I^k1BnZJ) s-k3/J = O (19) 選擇適當的K,使（A-KC)有穩定、適當的特征值,時,與x(t)、u(t)和對〇)無關； 與對0>無關； 根據指定的期望極點a、0、Y，則觀測器的期望特征多項式為： s3-(a+^ + y)s2+(a y + y a)s~a ^ y = 〇 (20)
根據系統期望的特性，選擇極點所在的位置，按照式（24)構造觀測器，即可觀測出負 載力矩IV、永磁同步電機（12)的實際速度和永磁同步電機（12)實際的轉子位置信號 em的值。
4. 一種永磁同步電機準無傳感器位置伺服控制方法，其特征是： a、 永磁同步電機（12)開始工作，永磁同步電機（12)的電機軸旋轉后，通過HALL (15) 向準無傳感器控制模塊（14)輸出離散的HALL位置信號I; b、 準無傳感器控制模塊（14)接收到HALL (15)的離散的HALL位置信號之以及PI調 節器（3 )的q軸電壓給定Uq和d軸電壓給定ud，并將離散的HALL位置信號Int、q軸電壓給 定Uq和d軸電壓給定Ud進行運算，運算后得出實際的轉子位置信號0 m、實際的d軸電流 信號id、實際的q軸電流信號iq和永磁同步電機（12)的負載力矩IY ;準無傳感器控制模塊 (14)向第五減法器輸出實際的轉子位置信號0 m，向位置/速度一體化控制器（13)輸出實 際的q軸電流信號和負載力矩IV，向第三減法器輸出實際的q軸電流信號，向第四減 法器輸出實際的d軸電流信號id，向IPark變換模塊（4)輸出實際的轉子位置信號0 m ; c、 通過上位機系統，給第五減法器輸入給定的位置信號0 _；，再通過準無傳感器控制 模塊（14)接收到實際的轉子位置信號em;第五減法器再將給定的位置信號0_；和實際的 轉子位置信號0m進行作差運算，得出位置誤差信號QnT-Qm;第五減法器將位置誤差信號 9e m輸出給位置/速度一體化控制器（13); d、 位置/速度一體化控制器（13)接收到第五減法器輸出的位置誤差信號0 e m、準 無傳感器控制模塊（14)輸出的實際的q軸電流信號和負載力矩IY ;經位置/速度一體 化控制器（13)運算后得出永磁同步電機（12)的給定的q軸電流信號 位置/速度一體化 控制器（13)向第三減法器輸出給定的q軸電流信號I:; e、 第三減法器接收位置/速度一體化控制器（13)輸出的給定的q軸電流信號以及 準無傳感器控制模塊（14)輸出的實際的q軸電流信號;第三減法器對給定的q軸電流信 號《和實際的q軸電流信號進行運算后得出q軸電流的誤差信號《第三減法器向PI 調節器（3)輸出q軸電流的誤差信號 f、 第四減法器系接收系統給定的d軸電流信號以及準無傳感器控制模塊（14)輸 出的實際的d軸電流信號id ;第四減法器將給定的d軸電流信號()=〇以及實際的d軸電流 信號id進行作差運算后，得出d軸電流的誤差信號--第四減法器向PI調節器（3)輸出 d軸電流的誤差信號^ ; g、 PI調節器（3)接收第三減法器輸出的q軸電流的誤差信號，以及第四減法器 輸出的d軸電流的誤差信號I'】-Irf ;經過PI調節器（3)的運算后，得到q軸電壓給定Uq和d 軸電壓給定ud ;PI調節器（3)向IPark變換模塊（4)輸出q軸電壓給定Uq和d軸電壓給定 Ud ； h、 IPark變換模塊（4)分別接收到PI調節器（3)輸出的q軸電壓給定Uq和d軸電壓 給定ud，以及準無傳感器控制模塊（14)輸出的實際的轉子位置信號0 m ;經過IPark變換模 塊（4)的運算后得出靜止兩相坐標系下的電壓分量Ua和電壓分量U0 ;IPark變換模塊（4) 向空間矢量調制模塊（5)輸出靜止兩相坐標系下的電壓分量Ua和電壓分量U0 ; i、 空間矢量調制模塊（5)接收到IPark變換模塊（4)輸出的靜止兩相坐標系下的電壓 分量Ua和電壓分量U0 ;經空間矢量調制模塊（5)運算后得出三相逆變器（6)的六路控制 信號；空間矢量調制模塊（5)向三相逆變器6輸出三相逆變器（6)的六路控制信號； j、 三相逆變器（6)接收到空間矢量調制模塊（5)輸出的三相逆變器（6)的六路控制信 號，并通過三相逆變器（6)的六路控制信號驅動永磁同步電機（12)的運行。
【文檔編號】H02P21/13GK104333285SQ201310602081
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年11月21日 優先權日:2013年11月21日
【發明者】魯文其, 胡旭東, 史偉民, 鄧雄飛 申請人:浙江理工大學