一种基于磁链夹角控制的交流伺服电机的制作方法

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种基于转矩控制的永磁同步伺服电机控制方法。

背景技术：

永磁材料的很早就被大家所认知，近年来，稀土永磁材料因其较高的剩磁密度、矫顽力和高磁能积而被应用到同步电机的设计中。永磁同步电机(PMSM)本身不存在励磁装置，便没有励磁损耗，其机械特性较硬，抗扰动效果好，这使得其安全性、稳定性以及功率密度等得到很大提高。同时，在调速控制时，永磁同步电机具有较大的调速范围和较高的功率因数。基于以上优点，永磁同步电机可以满足运行性能和技术指标需求较高的伺服驱动控制系统。

目前，永磁同步伺服电机较为流行的控制方法为采用速度和电流双闭环的矢量控制，速度环基本上利用传统的PI控制器，PI控制具有算法简单，参数调整方便，但PI控制本质上是一种线性控制方法，而永磁同步伺服电机具有参变量的变化的非线性特性，这就使得PI控制精度不高，无法保持设计时所期望的性能指标，也无法解决动态特性和稳态精度之间的矛盾，其系统鲁棒性较差。

此外，现有技术中，伺服控制系统还包括转矩控制方式。在转矩控制方式中，应用较多的是控制器加载SVPWM，即空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation)算法，而传统的SVPWM算法是基于正交分解电压矢量来实现的，其一般为通过对电压矢量所在的扇区和作用时间求解，计算过程中需要对正交分量进行复杂运算，运行时间较长，控制系统运行效率较低。

技术实现要素：

为了解决现有的永磁同步伺服电机控制的问题，本发明提供了一种基于转矩控制的永磁同步伺服电机控制方法。

技术方案如下：本发明采用了一种新型的永磁同步伺服电机控制策略，通过确定定子和转子磁链夹角的关系，来确定SVPWM单元的输入，进而通过控制定子和转子磁链夹角来实现对永磁同步伺服电机的控制。通过检测逆变器输出的三相电流，考虑dq坐标系下的坐标变换和控制规律计算得到永磁同步伺服电机的电磁转矩。通过电压电流模型可以估算出定子磁链的幅值。由于改变定子、转子磁链的夹角δ可以实现转矩控制，即，通过控制Δδ补偿转矩误差ΔT_e速度控制则采用非线性控制方法，速度误差则经过速度调节器之后输出电磁转矩的参考值，通过与计算的转矩值比较后得到夹角的控制量。再通过电压方程得到电压控制指令，利用SVPWM计算出选择的电压矢量的作用时间，进而通过输出逆变器的开关控制信号，实现对永磁同步伺服电机的转矩控制。

其推导过程如下：

Clarke变换公式为：

Park变换为：

dq坐标系与abc坐标系之间的变化如公式(3)所示：

通过坐标变换解耦后，得到永磁同步伺服电机在dq坐标系的数学模型描述如下：

电压方程：

磁链方程：

电磁转矩方程：T_em＝p_n(ψ_pmi_q-ψ_pmi_d)＝p_n[ψ_pmi_q+(L_d-L_q)·i_di_q] (6)

其中：δ为定子、转子磁链的夹角，Δδ为夹角变化量，R_s为定子电阻，u_d、i_d为d轴上的电压分量、电流分量；u_q、i_q为q轴上的电压分量、电流分量；ω_r为dq坐标系旋转角频率；ψ_d、ψ_q为永磁体在dq轴上的磁链；L为dq坐标系上的等效电枢电感；ψ_s为定子磁链，ψ_pm为永磁体产生的磁链；p_n为磁极对数；

以d轴下磁链ψ_d为例，假设，t时刻定子磁链为ψ_s(δ)，经过一段时间，到t+Δt时刻定子磁链变为ψ_s(δ+Δδ)，若参考值为d轴下磁链为ψ_d(δ+Δδ)，T_s为开关周期。则：

同样，可以求出以q轴下磁链ψ_q(δ+Δδ)，将上述结果代入公式(4)中，即可实现SVPWM输入单元的控制。

速度控制环通过非线性控制的方法获得速度的输出，假设存在一个控制量V₁，则其输出差为：

其中，J为转动惯量，B为黏滞系数，T_L为负载转矩，

采用一阶系统配置参数V₁，即其中，K₁为待定的控制参数，为转子角速度给定值；则：

通过调节速度参数V₁，输出i_q的给定值，最终获得转矩给定值。

本发明的有益效果：本发明采用了一种新型的永磁同步伺服电机控制策略，通过确定定子和转子磁链夹角的关系，来确定SVPWM单元的输入，进而通过控制定子和转子磁链夹角来实现对永磁同步伺服电机的控制。采用了通过控制Δδ补偿转矩误差ΔT_e和非线性控制速度方法后，提高了电机控制的响应速度，增强了系统的抗扰动能力，抑制速度的抖动，使其能工作在复杂的环境中。并且解决了传统的SVPWM算法计算过程中需要对正交分量进行复杂运算，运行时间较长，控制系统运行效率较低的问题。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明的永磁同步伺服电机的磁链矢量图

图2为本发明的永磁同步伺服电机的电压矢量计算框图

图3为本发明的转矩仿真曲线

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。

参见附图1，abc为三相静止坐标系，αβ为两相定子坐标系，dq为转子坐标系，选定α轴方向与电机定子a相绕组轴线一致，θ为转子磁极d轴相对定子a相绕组或α轴的转子空间位置角；δ为定、转子磁链矢量夹角。

Clarke变换公式为：

Park变换为：

dq坐标系与abc坐标系之间的变化如公式所示：

通过坐标变换解耦后，得到永磁同步伺服电机在dq坐标系的数学模型描述如下：

电压方程：

磁链方程：

电磁转矩方程：T_em＝p_n(ψ_pmi_q-ψ_pmi_d)＝p_n[ψ_pmi_q+(L_d-L_q)·i_di_q]

其中：δ为定子、转子磁链的夹角，Δδ为夹角变化量，R_s为定子电阻，u_d、i_d为d轴上的电压分量、电流分量；u_q、i_q为q轴上的电压分量、电流分量；ω_r为dq坐标系旋转角频率；ψ_d、ψ_q为永磁体在dq轴上的磁链；L为dq坐标系上的等效电枢电感；ψ_s为定子磁链，ψ_pm为永磁体产生的磁链；p_n为磁极对数；

以d轴下磁链ψ_d为例，假设，t时刻定子磁链为ψ_s(δ)，经过一段时间，到t+Δt时刻定子磁链变为ψ_s(δ+Δδ)，若参考值为d轴下磁链为ψ_d(δ+Δδ)，T_s为开关周期。则：

同样，可以求出以q轴下磁链ψ_q(δ+Δδ)，将上述结果代入到电压方程中，即可实现SVPWM输入单元的控制。

速度通过非线性控制的方法获得速度的输出，假设存在一个控制量V₁，则其输出差为：

其中，J为转动惯量，B为黏滞系数，T_L为负载转矩，

采用一阶系统配置参数V₁，即其中，K₁为待定的控制参数，为转子角速度给定值；则：

通过调节速度参数V₁，输出i_q的给定值，最终获得转矩给定值。

图2为本发明创造的永磁同步伺服电机的电压矢量计算框图,其中，1为永磁体磁磁链，2为定子、转子磁链的夹角δ，3为旋转角频率ω_r，4、5为d、q轴磁链ψ_d、ψ_q，6、7为d、q轴电流i_d、i_q，11、12为d、q轴电压u_d、u_q，13为磁链计算单元。图3为按照上述步骤选定参数获得的转矩仿真曲线。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。