一种陀螺永磁同步电机无传感器控制系统的制作方法

本发明涉及永磁同步电机控制系统，特别是一种陀螺永磁同步电机无传感器控制系统。

背景技术：

高精度三浮陀螺通过采用永磁电机替代磁滞电机，提高了电机转速稳定性，减小了电机功率损耗，提高了陀螺精度。永磁电机一般需要一套转子位置传感器，如光栅、旋变等，以实现换相，但受电机引线和陀螺空间体积的限制，陀螺永磁电机无法安装位置传感器，因此国内外针对陀螺永磁电机一般采用无位置传感器控制方法。

现有的陀螺永磁电机大多采用无刷直流电机，其主要原因是驱动控制方法简单，且绝大部分采取了PWM方波驱动。“无刷直流陀螺电机的高精度恒速控制”(中国惯性技术学报第11卷第6期2003年12月)一文针对无刷直流陀螺电机采用了三相三态的PWM驱动方法。“基于DSP和ML4428无刷直流陀螺电机锁相稳速控制的研究”(中国惯性技术学报第13卷第4期2005年8月)一文采用三相六拍的方法对无刷直流陀螺电机进行PWM驱动。由于陀螺永磁电机的定子大多采用无铁心结构，因而导致定子绕组电感很小，所以采用PWM方波进行驱动时定子电流谐波会增多，这会引起转矩波动增大，从而不利于进一步提高陀螺永磁电机的转速稳定性。

针对永磁同步电机无传感器控制，中国专利CN201010508205.2名称为永磁同步电机的无传感器控制系统提出了滑模观测器法，“基于神经网络的PMSM速度和位置自适应观测器的设计”(中国电机工程学报第12卷第22期2002年12月)一文提出了神经网络算法，“灰色预测法PMSM无传感器控制系统”(电机与控制学报第6卷第11期2007年11月)，中国专利CN201310289582.5名称为基于EKF的永磁同步电机无传感器矢量控制系统提出了扩展卡尔曼滤波法，“两种高频信号注入法的无传感器运行研究”(中国电机工程学报第5卷第25期2005年3月)一文提出了高频信号注入法。虽然智能算法具有一定的普遍适用性，但是其对应的算法编程一般较为复杂，从而难以工程化应用；与智能算法相比，高频信号注入法实现相对简单，但它依赖于电机转子的凸极效应，而陀螺永磁同步电机的转子通常采用隐极式结构且定子无铁心，所以该方法难以被利用。此外，常规的PID控制精度难以满足高精度陀螺对电机转速极高稳定性的要求，而且目前尚未见有针对无位置传感器的高速永磁同步电机的极高转速稳定性控制方法。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种陀螺永磁同步电机无传感器控制系统，针对现有的永磁同步电机无传感器控制方法复杂，电机转速稳定性不高的缺点，通过采用速度闭环和电流闭环构成的双闭环控制，对反电势过零脉冲信号进行倍频产生正弦波电流发生器的频率给定，将电机实际转速与参考转速的转速差作为正弦电流幅值给定，对正弦电流和相反电势信号进行相位锁定，以实现陀螺永磁同步电机效率最大化，同时将代表电机转速的方波信号与给定方波信号进行频率锁定，从而实现电机极高转速稳定性。

本发明的技术解决方案是：一种陀螺永磁同步电机无传感器控制系统，包括速度环、电流环，速度环包括锁相环Ⅱ、分频模块、反电势过零比较电路、相反电势提取电路，电流环包括锁相环Ⅰ、正弦波电流发生器、电流控制器、功率线性放大电路、电流检测电路，其中

相反电势提取电路，接收外部陀螺永磁同步电机输出的端电压信号后得到相反电势信号，并将相反电势信号送至相反电势过零比较电路，其中，相反电势提取电路的构造基于外部陀螺永磁同步电机的端电压方程；

相反电势过零比较电路，对相反电势信号进行过零比较得到过零脉冲信号，并将过零脉冲信号分别送至电流环中的锁相环Ⅰ、速度环中的分频模块；

分频模块，接收过零脉冲信号后进行分频得到机械频率方波信号并送至锁相环Ⅱ；

锁相环Ⅱ，从外部获取给定方波，然后对机械频率方波信号与给定方波信号进行鉴相、低通滤波，得到代表陀螺永磁同步电机实际转速与陀螺永磁同步电机参考转速差的数字量，并将代表转速差的数字量送至电流环中的正弦波电流发生器，作为正弦电流幅值给定；所述的给定方波信号的频率等于陀螺永磁同步电机参考转速对应的机械频率；

锁相环Ⅰ，对过零脉冲信号进行倍频产生频率给定并送至正弦波电流发生器；同时对频率给定、过零脉冲信号进行锁相，以使得给定正弦电流与相反电势信号的相位对齐；其中，频率给定与过零脉冲信号的倍频数等于外部陀螺永磁同步电机转子0至360度电角度的等分数；

正弦波电流发生器，接收频率给定后使用计数器产生正弦表寻址，根据正弦表寻址查找正弦表得到外部陀螺永磁同步电机当前转子位置对应的正弦值，然后将当前正弦值与正弦电流幅值给定的乘积送至DA转换器；所述的计数器为周期性计数，最大计数值等于外部陀螺永磁同步电机转子0至360度电角度的等分数；所述的正弦表包括0至360度所有角度对应的正弦值；

DA转换器，对正弦电流值进行数模转换，得到正弦电流波形并送至电流控制器；

电流检测电路，采集外部陀螺永磁同步电机输出的相电流信号并送至电流控制器；

电流控制器，对相电流信号、给定正弦电流波进行比例积分运算，得到的运算结果送至功率线性放大电路；

功率线性放大电路，对电流控制器运算结果进行功率放大后送至外部陀螺永磁同步电机，完成电机驱动控制。

所述的锁相环Ⅰ包括倍频单元、锁相单元；倍频单元，对过零脉冲信号进行倍频产生频率给定信号送至正弦波电流发生器，锁相单元对频率给定信号和过零脉冲信号进行锁相，以使得正弦电流与相反电势信号的相位对齐。

所述的锁相环Ⅱ包括鉴相单元、低通滤波单元；鉴相单元，从外部获取给定方波，然后对机械频率方波信号与给定方波信号进行鉴相，将鉴相得到的数据信号送至低通滤波单元进行低通滤波，得到代表陀螺永磁同步电机实际转速与陀螺永磁同步电机参考转速差的数字量，并将代表转速差的数字量送至电流环中的正弦波电流发生器，作为正弦电流幅值给定。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明控制系统通过将基于锁相环的电机转速控制技术、线性驱动技术、基于锁相环的转子位置估计方法进行结合，解决了高速陀螺永磁同步电机无位置传感器高转速稳定性控制难题，大大降低了电机的转矩波动，与传统的控制方法相比，使陀螺永磁同步电机的转速稳定性提高了一个数量级；

(2)本发明控制系统通过采用电流锁相环将定子相电流与相反电势的相位进行对齐，与现有技术相比具有陀螺永磁同步电机工作效率最大化的优点。

附图说明

图1为本发明一种陀螺永磁同步电机无传感器控制系统结构组成图；

图2为本发明控制系统中锁相环Ⅰ组成；

图3为本发明控制系统中锁相环Ⅱ组成。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种陀螺永磁同步电机无传感器控制系统，与现有技术相比本发明系统陀螺电机采用永磁同步电机，永磁同步电机与无刷直流电机的不同之处在于永磁同步电机的空载反电势波形为正弦波，根据电机工作原理，永磁同步电机的最佳驱动方式为正弦波驱动。在工业应用中永磁同步电机正弦波驱动的实现方式绝大多数采用了空间矢量脉宽调制或正弦脉宽调制等数字方法，该方法优点是控制实现简单，缺点是会产生电流谐波，从而导致转矩波动，影响转速稳定性，因而难以满足陀螺这种高精密仪表对转速稳定性极高的要求，因此本发明系统采用正弦波线性驱动方案。目前尚未见有针对无位置传感器的高速永磁同步电机的极高转速稳定性控制方法，所以本发明系统提出基于全数字锁相环的陀螺永磁同步电机无传感器控制方法，下面结合附图对本发明系统进行详细说明。

如图1所示为本发明陀螺永磁同步电机无传感器控制系统结构组成图，本发明系统包括速度环、电流环，速度环包括锁相环Ⅱ、分频模块、反电势过零比较电路、相反电势提取电路，电流环包括锁相环Ⅰ、正弦波电流发生器、电流控制器、功率线性放大电路、电流检测电路。

相反电势提取电路，接收陀螺永磁同步电机输出的端电压信号，陀螺永磁同步电机输出的端电压信号经过相反电势提取电路得到相反电势信号，相反电势过零比较电路对相反电势信号进行过零比较得到过零脉冲信号，过零脉冲信号分别送至电流环中的锁相环Ⅰ、速度环中的分频模块，其中，相反电势提取电路的构造基于陀螺永磁同步电机的端电压方程。

分频模块，接收过零脉冲信号后进行分频得到机械频率方波信号并送至锁相环Ⅱ；锁相环Ⅱ，从外部获取给定方波，然后对机械频率方波信号与给定方波信号进行鉴相、低通滤波，得到代表陀螺永磁同步电机实际转速与陀螺永磁同步电机参考转速差的数字量，并将代表转速差的数字量送至电流环中的正弦波电流发生器，作为正弦电流幅值给定；其中，给定方波信号的频率等于陀螺永磁同步电机参考转速对应的机械频率。

锁相环Ⅰ，对过零脉冲信号进行倍频产生频率给定并送至正弦波电流发生器；同时对频率给定和过零脉冲信号进行锁相，以使得给定正弦电流与相反电势信号的相位对齐，从而使得待驱动的陀螺永磁同步电机的效率最大。

正弦波电流发生器，接收频率给定经过计数器后产生正弦表寻址，正弦表寻址送入正弦表后查找出当前转子位置对应的正弦值，正弦值与正弦电流幅值给定的乘积送至DA转换器；其中，计数器的最大计数值等于转子0至360度电角度的等分数，正弦表包括所有0至360度电角度对应的正弦值。

DA转换器，对给定正弦电流值进行数模转换，得到给定正弦电流波形并送至电流控制器。

电流检测电路，采集外部陀螺永磁同步电机输出的相电流信号并送至电流控制器。

电流控制器，对相电流信号、给定正弦电流波进行比例积分运算，得到的运算结果送至功率线性放大电路。

功率线性放大电路，对电流控制器运算结果进行功率放大后送至外部陀螺永磁同步电机，完成电机驱动控制。

如图2所示为锁相环Ⅰ组成，锁相环Ⅰ包括倍频单元、锁相单元；倍频单元，对过零脉冲信号进行倍频产生频率给定并送至正弦波电流发生器，锁相单元对频率给定和过零脉冲信号进行锁相，以使得给定正弦电流与相反电势信号的相位对齐，从而使得待驱动的陀螺永磁同步电机的效率最大。

附图3所示为锁相环Ⅱ组成，锁相环Ⅱ包括鉴相单元、低通滤波单元；鉴相单元，从外部获取给定方波，然后对机械频率方波信号与给定方波信号进行鉴相，将鉴相得到的数据信号送至低通滤波单元进行低通滤波，得到代表陀螺永磁同步电机实际转速与陀螺永磁同步电机参考转速差的数字量，并将代表转速差的数字量送至电流环中的正弦波电流发生器，作为正弦电流幅值给定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。