基于mems陀螺的永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于MEMS陀螺的永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速方法。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁同步電機(jī)采用永久磁鐵產(chǎn)生氣隙磁通而不需要外部勵(lì)磁，具有極好效率特性極高的功率密度以及轉(zhuǎn)矩慣量比等優(yōu)點(diǎn)，成為伺服控制系統(tǒng)的首選。矢量控制以轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶繛閰⒖甲鴺?biāo)，將定子電流分為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量分別進(jìn)行獨(dú)立控制，不論在電機(jī)低速運(yùn)行區(qū)還是在電機(jī)高速運(yùn)行區(qū)具有較好的抗擾動性能啟動制動性能和穩(wěn)定性能，廣泛應(yīng)用于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。位置傳感器一方面為矢量控制中的矢量變換提供角度信息，另一方面為調(diào)速控制提供反饋速度信息。
[0003]電位計(jì)是早期用于調(diào)速系統(tǒng)的位置傳感器，輸出的信號含有較大的干擾，而且可靠性較差。數(shù)字編碼器是目前永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用最廣的位置傳感器，其對應(yīng)的測速方法有M法、T法、Μ/T法。速度反饋信息存在一定的滯后，而且低速狀態(tài)下的精度較差。惡劣的工作環(huán)境，使得數(shù)字編碼器和電位器容易出現(xiàn)故障，降低調(diào)速系統(tǒng)的性能。無位置傳感器控制技術(shù)，是一種擺脫硬件的設(shè)計(jì)思路，但電流、電壓采集過程中的濾波，會使得位置信息存在滯后，而且精度較差。近年來，微機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)得到長足的發(fā)展，MEMS陀螺逐漸走向微型化、智能化、多功能以及高集成度化，為永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速轉(zhuǎn)子位置信息的測量提供全新的途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種基于MEMS陀螺的永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速方法，利用MEMS陀螺的輸出提供矢量控制調(diào)速所需要的位置信息和速度信息。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:將MEMS陀螺安裝在永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，作為轉(zhuǎn)子位置信息的傳感器。結(jié)合MEMS陀螺輸出速度信號的特點(diǎn)，以MEMS陀螺的輸出作為調(diào)速系統(tǒng)的速度反饋信息。將MEMS陀螺儀的輸出進(jìn)行積分，得到的角度信號，作為矢量控制中的park變換和park逆變換所需要的角度信息。
[0006]本發(fā)明提供的調(diào)速方法，包括以下環(huán)節(jié):
[0007]I)給A相上橋、B相及C相下橋?qū)?，形成與A相繞組軸線重合的定子繞組，吸引二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸至A相繞組軸線。此時(shí)刻作為控制時(shí)角度的零度位置。
[0008]2)讀取MEMS陀螺的輸出w作為速度環(huán)的反饋，結(jié)合速度環(huán)的給定，以及所采用的控制方法，產(chǎn)生速度環(huán)的輸出。
[0009]3)結(jié)合每個(gè)控制周期的時(shí)間間隔，將MEMS陀螺的輸出w進(jìn)行積分，得到轉(zhuǎn)子位置信息。結(jié)合該轉(zhuǎn)子位置信息、速度環(huán)的輸出、相電流信號、控制方法，產(chǎn)生電流環(huán)的輸出。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
[0011]I)寬范圍的提供轉(zhuǎn)子速度信息。可根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，選用不同量程的MEMS陀螺，克服目前永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)低速狀態(tài)下測速難的問題。
[0012]2)瞬時(shí)提供轉(zhuǎn)子速度信息。MEMS陀螺進(jìn)行瞬時(shí)測速的特點(diǎn)，使得所提方法測量得到的速度信息不存在滯后問題。
[0013]3)瞬時(shí)提供轉(zhuǎn)子速度信息。利用瞬時(shí)得到的速度信息積分得到瞬時(shí)的角度，能夠克服角度信息分辨率低的問題。
[0014]4)低成本的位置傳感器設(shè)計(jì)。MEMS陀螺的低成本，使得該方法在成本方面具有優(yōu)勢。
[0015]5)高可靠性的位置傳感器設(shè)計(jì)。MEMS陀螺的高可靠性，使得該方法在可靠性方面具有優(yōu)勢。
[0016]6)小體積的位置傳感器設(shè)計(jì)。MEMS陀螺的小尺寸，使得該方法在尺寸方面具有優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0017]圖1為基于MEMS陀螺的永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速框圖。
[0018]圖中，1-永磁同步電機(jī)，2-MEMS陀螺，3_電流采樣，4_功率變換，5_隔離輸出，6-電源變換，7-CPU，8-輸入電源，9-隔離變換。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0020]本發(fā)明實(shí)施實(shí)例的結(jié)構(gòu)參照圖1，由永磁同步電機(jī)1、MEMS陀螺2、電流采樣3、功率變換4、隔離輸出5、電源變換6、CPU 7、輸入電源8、隔離變換9組成。
[0021]永磁同步電機(jī)I的主要性能如下:無刷，額定電流2.1A，額定電壓27V，額定轉(zhuǎn)速1800rpm，工作溫度_40°C?+80 °C，電機(jī)設(shè)計(jì)磁鋼選用釹鐵綳，鐵芯材料選用DW360。
[0022]MEMS陀螺2采用ST公司提供的L3G4200D為三軸數(shù)字陀螺儀，主要特性如下:數(shù)字通信接口支持I2C和SPI，可配置的量程為±250/500/2000dps。
[0023]電流采樣3采用霍爾電流傳感器ACS712，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)相電流的隔離采樣，為永磁同步電機(jī)控制提供電流信號。
[0024]功率驅(qū)動4采用分立元件搭建。選用功率MOSFET IRFR3412，具有輸入阻抗高、開關(guān)頻率高、通態(tài)電壓低、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)通阻值低、體積小、發(fā)熱量小、保護(hù)電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。該功率開關(guān)管的最大輸入電流可以高達(dá)40A。綜合考慮所選電機(jī)容量及開關(guān)頻率需求，驅(qū)動芯片選用高速功率場效應(yīng)管驅(qū)動芯片IR2103S。
[0025]隔尚輸出5將控制部分和電機(jī)驅(qū)動部分相互隔尚，防止永磁同步電機(jī)對DSP的工作產(chǎn)生干擾，保證裝置運(yùn)行的可靠性。考慮裝置的體積和可靠性，隔離芯片采用ADUM1401。
[0026]輸入電源8采用的電源特性為:額定電壓27V、額定電流1A0 CPU需要的電源由輸入電源8經(jīng)過隔離變換9提供；電機(jī)驅(qū)動部分需要的+5V電源和+15V電源由輸入電源8經(jīng)過電源變換6提供。
[0027]CPU 10采用TMS320F2812 DSP芯片，時(shí)鐘頻率為150MHz，充分利用DSP芯片的高速信號處理能力和電機(jī)控制優(yōu)化的外圍電路，以及控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。
[0028]本發(fā)明實(shí)施過程中，首先需要確定轉(zhuǎn)子的零位。即給A相上橋、B相及C相下橋?qū)?，形成與A相繞組軸線重合的定子繞組，吸引二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸至A相繞組軸線。以此時(shí)刻轉(zhuǎn)子的位置，作為控制時(shí)角度的零度位置。速度環(huán)和電流環(huán)的雙環(huán)控制原則為:內(nèi)環(huán)電流環(huán)，基本控制周期是0.1ms ;外環(huán)為速度環(huán)，基本控制周期是lms。0.1ms的時(shí)間基準(zhǔn)，采用定時(shí)器中斷的方式產(chǎn)生。速度環(huán)的控制中，讀取MEMS陀螺的輸出w作為速度環(huán)的反饋，結(jié)合速度環(huán)的給定，利用PI控制方法產(chǎn)生速度環(huán)的輸出。電流環(huán)的控制中，結(jié)合每個(gè)控制周期的時(shí)間間隔0.1ms JfMEMS陀螺的輸出w進(jìn)行積分，得到轉(zhuǎn)子位置信息。結(jié)合該轉(zhuǎn)子位置信息、速度環(huán)的輸出、相電流信號、控制方法，產(chǎn)生電流環(huán)的輸出。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于MEMS陀螺的永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速方法，其特征在于:利用MEMS陀螺提供永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速所需要的轉(zhuǎn)子位置信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的基于MEMS陀螺的永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速方法，其特征在于:讀取MEMS陀螺的輸出作為速度環(huán)的反饋，結(jié)合速度環(huán)的給定，以及所采用的控制方法，產(chǎn)生速度環(huán)的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的基于MEMS陀螺的永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速方法，其特征在于:結(jié)合每個(gè)控制周期的時(shí)間間隔，將MEMS陀螺的輸出w進(jìn)行積分，得到轉(zhuǎn)子位置信息。結(jié)合該轉(zhuǎn)子位置信息、速度環(huán)的輸出、相電流信號、控制方法，產(chǎn)生電流環(huán)的輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所描述的基于MEMS陀螺的永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速方法，其特征在于:MEMS陀螺的輸出進(jìn)行積分時(shí)的初始位置獲取方法為給A相上橋、B相及C相下橋?qū)ǎ纬膳cA相繞組軸線重合的定子繞組，吸引二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸至A相繞組軸線。此時(shí)刻作為控制時(shí)角度的零度位置。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于MEMS陀螺的永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速方法，利用MEMS陀螺提供永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速所需要的轉(zhuǎn)子位置信息。速度環(huán)控制中，讀取MEMS陀螺的輸出作為速度環(huán)的反饋，結(jié)合速度環(huán)的給定，以及所采用的控制方法，產(chǎn)生速度環(huán)的輸出。電流環(huán)控制中，結(jié)合每個(gè)控制周期的時(shí)間間隔，將MEMS陀螺的輸出進(jìn)行積分，得到轉(zhuǎn)子位置信息。結(jié)合該轉(zhuǎn)子位置信息、速度環(huán)的輸出、相電流信號、控制方法，產(chǎn)生電流環(huán)的輸出。MEMS陀螺的輸出進(jìn)行積分時(shí)的初始位置獲取方法為給A相上橋、B相及C相下橋?qū)?，形成與A相繞組軸線重合的定子繞組，吸引二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸至A相繞組軸線。此時(shí)刻作為控制時(shí)角度的零度位置。
【IPC分類】H02P21-00
【公開號】CN104639000
【申請?zhí)枴緾N201410804821
【發(fā)明人】王德成, 周經(jīng)偉, 林輝
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年12月12日