一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，包括有整流濾波單元、三相逆變器、核心運(yùn)算控制單元、逆變驅(qū)動(dòng)控制電路、通訊監(jiān)視控制部分，通訊監(jiān)視控制部分由顯示操作面板和起?？刂撇糠纸M成，顯示操作面板與核心運(yùn)算控制單元信號(hào)連接，起?？刂撇糠峙c核心運(yùn)算控制單元一輸入端連接，核心運(yùn)算控制單元一輸出端與逆變驅(qū)動(dòng)控制電路輸入端連接，逆變驅(qū)動(dòng)控制電路輸出端與三相逆變器一輸入端連接，三相電源經(jīng)整流濾波單元與三相逆變器另一輸入端連接，三相逆變器的輸出端分別與數(shù)據(jù)采集電路、交流伺服永磁同步電機(jī)輸入端連接，數(shù)據(jù)采集電路輸出端與核心運(yùn)算控制單元另一輸入端連接。
【專利說(shuō)明】 一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電機(jī)控制系統(tǒng)，特別是一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]伺服電機(jī)分直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)，其中交流伺服電機(jī)又分為異步和同步兩種，直流電機(jī)和同步電機(jī)一般為永磁結(jié)構(gòu)的，它們都需要傳感器或編碼器加載到旋轉(zhuǎn)的電機(jī)上以獲取電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)子的速度和位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)實(shí)時(shí)高精度的控制，這其中以交流伺服永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能最好，控制精度最高，在數(shù)控機(jī)床等高端領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但因其需要在電機(jī)端安裝傳感器，傳感器信號(hào)再傳送到控制器端，容易受到振動(dòng)等環(huán)境條件的影響，安裝調(diào)試不方便，只適合室內(nèi)場(chǎng)合，無(wú)法適應(yīng)野外如油田、煤炭、礦山等惡劣環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種不需要傳感器的交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)。
[0004]一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，包括有整流濾波單元、三相逆變器、核心運(yùn)算控制單元、逆變驅(qū)動(dòng)控制電路、通訊監(jiān)視控制部分，通訊監(jiān)視控制部分由顯示操作面板和起?？刂撇糠纸M成，顯示操作面板與核心運(yùn)算控制單元信號(hào)連接，起?？刂撇糠峙c核心運(yùn)算控制單元一輸入端連接，核心運(yùn)算控制單元一輸出端與逆變驅(qū)動(dòng)控制電路輸入端連接，逆變驅(qū)動(dòng)控制電路輸出端與三相逆變器一輸入端連接，三相電源經(jīng)整流濾波單元與三相逆變器另一輸入端連接，三相逆變器的輸出端與數(shù)據(jù)采集電路輸入端連接，數(shù)據(jù)采集電路輸出端與核心運(yùn)算控制單元另一輸入端連接。
[0005]所述數(shù)據(jù)采集電路由三相電流采樣電路和三相電壓采樣電路組成，三相逆變器的輸出端分別與三相電流采樣電路、三相電壓采樣電路輸入端連接，三相電流采樣電路、三相電壓采樣電路輸出端分別與核心運(yùn)算控制單元另一輸入端連接。
[0006]所述核心運(yùn)算控制單元為DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器，處理器內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換模塊輸入端與三相電流采集電路、三相電壓采集電路的輸入端連接，AD轉(zhuǎn)換模塊一輸出端通過(guò)速度位置估算模塊與位置調(diào)節(jié)模塊連接，位置調(diào)節(jié)模塊的輸出端通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊、PWM輸出模塊與逆變驅(qū)動(dòng)控制電路輸入端連接，速度位置估算模塊一輸出端與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊一輸入端連接，電流調(diào)節(jié)模塊一輸入端與AD轉(zhuǎn)換模塊一輸出端連接，SCI通訊模塊輸出端通過(guò)速度給定模塊與位置調(diào)節(jié)模塊連接，顯示操作面板與SCI通訊模塊信號(hào)連接，IO控制模塊與起?？刂撇糠诌B接。
[0007]所述DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器為32位DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器。
[0008]所述位置估算模塊由滑模觀測(cè)器速度位置估算模塊和卡爾濾波器位置轉(zhuǎn)速輸出模塊組成，電壓矢量分解CLARK變換模塊兩端連接滑模觀測(cè)器速度位置估算模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊，滑模觀測(cè)器速度位置估算模塊通過(guò)卡爾濾波器位置速度輸出模塊與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊連接，位置調(diào)節(jié)模塊輸入端與卡爾濾波器位置速度輸出模塊連接，PARK變換模塊兩端連接有電流矢量分解CLARK變換模塊和電流調(diào)節(jié)模塊，PARK逆變換模塊兩端連接電流調(diào)節(jié)模塊和PWM輸出模塊。
[0009]所述逆變驅(qū)動(dòng)控制電路中設(shè)置有絕緣柵雙極型晶體管IGBT作為功率開(kāi)關(guān)器件。
[0010]三相逆變器的輸出端與交流伺服永磁同步電機(jī)輸入端連接。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)效果是:由于本發(fā)明不需要傳感器，采用了全新的設(shè)計(jì)模式和矢量控制算法，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的精確控制，還克服了容易受到振動(dòng)等環(huán)境條件的影響，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能安全可靠，適應(yīng)范圍更加廣泛。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明的電機(jī)控制系統(tǒng)圖。
[0013]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的電機(jī)控制系統(tǒng)圖。
圖3為本發(fā)明電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行三相電流曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，如圖1所示，整流濾波單元將三相交流電經(jīng)過(guò)全橋整流成直流電，正負(fù)間使用四個(gè)電解電容，兩并兩串相連，每個(gè)電容的正負(fù)極上并連一個(gè)功率電阻以保持相互間的沖放電均衡，有效減小直流母線的波紋。
[0015]虛線框內(nèi)部分為核心運(yùn)算控制單元，，該部分主要是將各路采集到的數(shù)字及模擬信號(hào)集中運(yùn)算處理，主芯片采用TI公司32位DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器，處理信號(hào)包括外部輸入、輸出開(kāi)關(guān)控制起停；頻率給定、電流采集等輸入模擬量經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)運(yùn)算；電流、轉(zhuǎn)速等輸出模擬量的實(shí)時(shí)運(yùn)算；基于磁場(chǎng)定向的電機(jī)矢量控制算法處理；基于滑模和卡爾曼濾波多種濾波算法的電機(jī)速度及實(shí)時(shí)位置精確估計(jì)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)波形輸出，與外部設(shè)備通信連接、將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送上位顯示等。
[0016]數(shù)據(jù)采集電路:該部分實(shí)現(xiàn)外部數(shù)字、模擬輸入信號(hào)、輸出電流、輸出電壓及電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)相位幅值的采集，并經(jīng)過(guò)整形放大，濾波后送到DSP芯片端口。
[0017]逆變驅(qū)動(dòng)控制電路:這部分實(shí)現(xiàn)主功率器件IGBT的輸出控制，將來(lái)自DSP的SVPWM方波信號(hào)經(jīng)過(guò)光藕隔離、功率放大后驅(qū)動(dòng)IGBT，同時(shí)監(jiān)控IGBT的內(nèi)部過(guò)流信號(hào)反饋到DSP以開(kāi)通關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)以防IGBT大電流燒壞。
[0018]通訊監(jiān)視控制部分:這部分主要利用DSP的SCI串行通信功能同監(jiān)視器或PC機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，調(diào)整，監(jiān)視等操作。DSP接收來(lái)至監(jiān)視器或PC機(jī)的頻率、速度、起停機(jī)等指令，核心運(yùn)算單元經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理向外圍接口及驅(qū)動(dòng)電路傳送相應(yīng)數(shù)據(jù)并將電機(jī)最終運(yùn)行結(jié)果回發(fā)給監(jiān)視器或PC機(jī)，從而直觀地看到當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。
[0019]三相逆變器受控輸出給定的的電壓(電流)驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)PMSM。
[0020]通過(guò)對(duì)電機(jī)電流和電壓波形的實(shí)時(shí)觀測(cè)，使用基于滑動(dòng)模型和卡爾曼濾波算法，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需速度位置傳感器或編碼器即可精確估算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)位置，轉(zhuǎn)速，電流三閉環(huán)控制。在高性能的驅(qū)動(dòng)配合下，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)，最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定2倍以上。系統(tǒng)效率高、功率因數(shù)高、其效率特性曲線具有高而平的特點(diǎn)，在電機(jī)輕載時(shí)節(jié)能效果更為明顯，適合各種負(fù)載條件特別是負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，轉(zhuǎn)矩要求高的場(chǎng)合。
[0021]本發(fā)明運(yùn)行時(shí)，通過(guò)上位機(jī)或顯示操作面板給定電機(jī)轉(zhuǎn)速，因該控制系統(tǒng)無(wú)傳感器，需要在電機(jī)起動(dòng)前對(duì)電機(jī)參數(shù)和初始位置進(jìn)行識(shí)別，具體做法是給電機(jī)輸出20V左右直流電壓，測(cè)電機(jī)相間電阻，給電機(jī)輸出不同頻率的電壓，依據(jù)電機(jī)的凸極效應(yīng)計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)的初始位置，系統(tǒng)采用三閉環(huán)調(diào)節(jié)，知道電機(jī)的初始位置后，即可進(jìn)入位置PID調(diào)節(jié)，位置調(diào)節(jié)的輸出作為速度調(diào)節(jié)的輸入，速度反饋是來(lái)自速度位置估算模塊，AD模塊實(shí)時(shí)對(duì)三相電流和電壓采集后送到速度位置估算模塊，速度位置估算模塊對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量分解，依據(jù)電機(jī)的磁場(chǎng)定向矢量控制模型計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子所處的電角度和速度。速度調(diào)節(jié)的輸出作為電流調(diào)節(jié)的輸入，電流反饋量來(lái)自AD模塊采集的實(shí)時(shí)值，電流環(huán)為最內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)，能很快對(duì)電機(jī)負(fù)載的變量作出調(diào)整，電流調(diào)節(jié)后的輸出量即可經(jīng)過(guò)矢量逆變換形成三相所需的開(kāi)關(guān)量送入PWM輸出模塊，然后經(jīng)過(guò)逆變電路驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)PMSM。
[0022]如圖2所示，所述位置估算模塊由滑模觀測(cè)器速度位置估算模塊和卡爾濾波器位置轉(zhuǎn)速輸出模塊組成，電壓矢量分解CLARK變換模塊兩端連接滑模觀測(cè)器速度位置估算模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊，滑模觀測(cè)器速度位置估算模塊通過(guò)卡爾濾波器位置速度輸出模塊與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊連接，位置調(diào)節(jié)模塊輸入端與卡爾濾波器位置速度輸出模塊連接，PARK變換模塊兩端連接有電流矢量分解CLARK變換模塊和電流調(diào)節(jié)模塊，PARK逆變換模塊兩端連接電流調(diào)節(jié)模塊和PWM輸出模塊。本發(fā)明采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的同時(shí)，使用位置、速度、電流三閉環(huán)調(diào)節(jié)，位置環(huán)為外環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)均為內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)的伺服控制。首先對(duì)已知的電機(jī)參數(shù)設(shè)定，如電機(jī)額定功率、電流、極對(duì)數(shù)；然后通過(guò)自學(xué)習(xí)對(duì)電機(jī)的初始位置、電阻、DQ軸電感、電機(jī)磁場(chǎng)等特殊參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。通過(guò)這些參數(shù)即可構(gòu)建電機(jī)的控制模型，電機(jī)從零矢量位置起動(dòng)后，核心運(yùn)算控制單元對(duì)每個(gè)載波周期采集過(guò)來(lái)的電流和電壓進(jìn)行矢量分解，電流信號(hào)la、lb、Ic通過(guò)電流矢量分解CLARK變換轉(zhuǎn)換到靜止兩相I α、I β坐標(biāo)系內(nèi)，再經(jīng)過(guò)PARK變換將兩相靜止坐標(biāo)系I α、Ι β分量轉(zhuǎn)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系ID、IQ分量，即電機(jī)磁場(chǎng)分量和轉(zhuǎn)矩分量，這樣即可通過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)分別控制電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到高精度控制電機(jī)的目的；電壓信號(hào)Ua、Ub、Uc通過(guò)電壓矢量分解CLARK變換后變成兩相靜止坐標(biāo)系Ua、υβ，靜止坐標(biāo)系U α、U β和I α、I β經(jīng)過(guò)滑模觀測(cè)器對(duì)速度位置估算后，再經(jīng)卡爾曼濾波器轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速信號(hào)和位置信號(hào)THeta，位置信號(hào)THeta和速度給定信號(hào)經(jīng)過(guò)綜合處理后將信號(hào)輸送給位置調(diào)節(jié)模塊，穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊，ID、IQ分量信號(hào)傳遞給電流調(diào)節(jié)模塊，位置調(diào)節(jié)模塊產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊生成調(diào)節(jié)后的兩相坐標(biāo)系Id、Iq，由PARK逆變換模塊產(chǎn)生調(diào)節(jié)后的三相電壓信號(hào)UA、UB、UC，通過(guò)PWM輸出模塊、逆變驅(qū)動(dòng)控制電路輸出給三相逆變器控制永磁同步電機(jī)PMSM。而整個(gè)控制過(guò)程中轉(zhuǎn)速和位置的反饋是靠滑模觀測(cè)器和卡爾濾波器完成，實(shí)時(shí)電流和電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)矢量分解后送到滑模觀測(cè)器，滑模觀測(cè)器是根據(jù)電流和電壓的矢量相位角計(jì)算當(dāng)前的位置及轉(zhuǎn)速，因其為估算的實(shí)時(shí)值，受瞬態(tài)電流電壓諧波、噪聲等影響，與真實(shí)值會(huì)存在一定的誤差，為獲得更精確的角度和轉(zhuǎn)速值，需要用卡爾曼濾波算法除去位置計(jì)算過(guò)程中的噪聲干擾，卡爾曼濾波一種高效率的自回歸數(shù)據(jù)處理算法，它通過(guò)循環(huán)獲知上一時(shí)刻狀態(tài)的估計(jì)值以及當(dāng)前狀態(tài)的觀測(cè)值就可以計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)的估計(jì)值，能夠有效去掉噪聲的影響，從而獲得最接近實(shí)際目標(biāo)的估計(jì)值。
[0023]通過(guò)以上滑動(dòng)模型和卡爾曼濾波算法的綜合處理，系統(tǒng)能夠在沒(méi)有機(jī)械傳感器反饋的情況下獲得非常精確的電機(jī)實(shí)時(shí)位置和速度，然后經(jīng)過(guò)三閉環(huán)PID調(diào)節(jié)，首先通過(guò)位置環(huán)調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)靜態(tài)精確度和動(dòng)態(tài)跟蹤性能，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度距離控制，速度環(huán)保證了系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡，電流環(huán)能夠抵制內(nèi)部干擾，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。經(jīng)過(guò)三閉環(huán)控制，使電機(jī)在速度、轉(zhuǎn)矩上都獲得較高精度的控制，能夠適應(yīng)任何負(fù)載條件和環(huán)境限制，達(dá)到真正意義上的伺服控制。
[0024]如圖3所示采集的運(yùn)行電流波形可以看出，系統(tǒng)無(wú)需傳感器，即可在很短的時(shí)間內(nèi)起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)完美的正弦波形輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，包括有整流濾波單元、三相逆變器、核心運(yùn)算控制單元、逆變驅(qū)動(dòng)控制電路、通訊監(jiān)視控制部分，通訊監(jiān)視控制部分由顯示操作面板和起停控制部分組成，其特征在于:顯示操作面板與核心運(yùn)算控制單元信號(hào)連接，起停控制部分與核心運(yùn)算控制單元一輸入端連接，核心運(yùn)算控制單元一輸出端與逆變驅(qū)動(dòng)控制電路輸入端連接，逆變驅(qū)動(dòng)控制電路輸出端與三相逆變器一輸入端連接，三相電源經(jīng)整流濾波單元與三相逆變器另一輸入端連接，三相逆變器的輸出端與數(shù)據(jù)采集電路輸入端連接，數(shù)據(jù)采集電路輸出端與核心運(yùn)算控制單元另一輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集電路由三相電流采樣電路和三相電壓采樣電路組成，三相逆變器的輸出端分別與三相電流采樣電路、三相電壓采樣電路輸入端連接，三相電流采樣電路、三相電壓采樣電路輸出端分別與核心運(yùn)算控制單元另一輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述核心運(yùn)算控制單元為DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器，處理器內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換模塊輸入端與三相電流采集電路、三相電壓采集電路的輸入端連接，AD轉(zhuǎn)換模塊一輸出端通過(guò)速度位置估算模塊與位置調(diào)節(jié)模塊連接，位置調(diào)節(jié)模塊的輸出端通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊、PWM輸出模塊與逆變驅(qū)動(dòng)控制電路輸入端連接，速度位置估算模塊一輸出端與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊一輸入端連接，電流調(diào)節(jié)模塊一輸入端與AD轉(zhuǎn)換模塊一輸出端連接，SCI通訊模塊輸出端通過(guò)速度給定模塊與位置調(diào)節(jié)模塊連接，顯示操作面板與SCI通訊模塊信號(hào)連接，IO控制模塊與起停控制部分連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器為32位DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述位置估算模塊由滑模觀測(cè)器速度位置估算模塊和卡爾濾波器位置轉(zhuǎn)速輸出模塊組成，電壓矢量分解CLARK變換模塊兩端連接滑模觀測(cè)器速度位置估算模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊，滑模觀測(cè)器速度位置估算模塊通過(guò)卡爾濾波器位置速度輸出模塊與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊連接，位置調(diào)節(jié)模塊輸入端與卡爾濾波器位置速度輸出模塊連接，PARK變換模塊兩端連接有電流矢量分解CLARK變換模塊和電流調(diào)節(jié)模塊，PARK逆變換模塊兩端連接電流調(diào)節(jié)模塊和PWM輸出模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述逆變驅(qū)動(dòng)控制電路中設(shè)置有絕緣柵雙極型晶體管IGBT作為功率開(kāi)關(guān)器件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種交流伺服永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于:三相逆變器的輸出端與交流伺服永磁同步電機(jī)輸入端連接。
【文檔編號(hào)】H02P21/00GK103856132SQ201310417822
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月15日
【發(fā)明者】李德印, 熊健偉, 田明吉, 李大鵬, 石興華 申請(qǐng)人:新鄉(xiāng)市夏烽電器有限公司