一种基于速度环双积分控制器的永磁同步电机寻相方法

1.本发明涉及伺服控制技术领域，具体涉及一种基于速度环双积分控制器的永磁同步电机寻相方法。


背景技术：

2.永磁同步电机结构简单、体积小、效率高、带负载能力强，因此在国防、航空航天、轨道交通、精密制造等领域有着非常广泛的应用。随着技术的不断发展，在高速高精度数控机床、半导体制造等行业对于永磁同步电机的定位精度、响应速度、随动性能等方面有着越来越高的要求。永磁同步电机矢量控制是主流控制方法之一，矢量控制指的是三相交流电动机在转子磁链定向的坐标系上通过坐标变换将定子电流矢量分解成励磁电流分量和转矩电流分量，两个分量互相垂直，分别进行控制。矢量控制方法运算相对简单，有利于在实际电机控制中进行数字控制以达到各项性能指标。但是，采用矢量控制的永磁同步电机在每次上电前都需要确定转子的初始磁极相位(或者“电角度”)，只有明确了初始相位才能通过坐标变换计算准确的电流环矢量运算，使得电机产生最大转矩。因此确定永磁同步电机的初始磁极相位(寻相)是一项必须的步骤。目前的寻相方法通常分为两种，一种是直接在电机上安装相应的传感器来测量电机的初始磁极位置；还有一种是给电机输入某种矢量电压或者电流信号，让电机转子在此信号作用下运动到相应的相位上。第一种方法需要额外增加传感装置，使得整个系统的成本变高，同时也会增加电机系统的复杂度；第二种方法对于施加的电压、电流等信号的幅值、相位都有一定的要求，一旦施加的信号不合理，会造成电机瞬时加速度过大，产生过大的位移或者是启动失败。


技术实现要素：

3.针对现有永磁同步电机寻相方法的不足，本发明提供一种基于速度环双积分控制器的永磁同步电机寻相方法。该方法不用额外增加传感器，算法简单易于实现，同时寻相的精度高，在寻相过程中电机产生的位移较小。
4.为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
5.一种基于速度环双积分控制器的永磁同步电机寻相方法，包括：
6.构建电机速度环及电流环闭环系统，其中电机速度环采用双积分控制器；
7.双积分控制器初始状态设置为0，电机速度环指令信号设置为0，电机闭环运行，给d轴电流环施加斜坡指令信号；
8.永磁同步电机收到指令信号后开始运动，并得到电机速度响应，待电机进入稳态，采集速度环双积分控制器的输出；
9.利用电机速度环双积分控制器的稳态输出及施加给d轴电流环的斜坡电流得到电机的初始电角度，完成寻相。
10.进一步，所述双积分控制器初始状态设置为0，电机速度环指令信号设置为0，电机闭环运行，d轴电流环施加斜坡指令信号，具体为：
11.d轴电流环施加斜坡指令信号即斜坡给定电流为i
dr
，经过d轴电流环、电流坐标变换及空间矢量脉宽调制后作用在电机上，并产生反馈电流信号i
df
，由于电机系统初始电角度的存在，根据park变换，电机在d轴电流环给定信号i
dr
的作用下，会在q轴电流环产生电流反馈信号i
qf
，i
df
和i
qf
满足如下关系：
[0012][0013][0014]
其中δθ是电角度估计误差，即δθ＝θ-θ
*
，是d轴电流的实际值，是q轴电流的实际值，θ为估计的初始电角度，θ
*
为实际初始电角度。
[0015]
进一步，当电机达到稳态时，闭环系统处于静止状态，在忽略系统摩擦力和齿槽力影响的情况下，q轴电流的实际值为0。
[0016]
进一步，则d轴电流环反馈电流信号i
df
和q轴电流环反馈电流信号i
qf
具有如下关系：
[0017][0018][0019]
此时q轴电流环控制器的输入为0，因此速度环双积分控制器的输出uq＝i
qf
，d轴电流环给定电流信号i
dr
＝i
df
，采集此时双积分控制器输出uq。
[0020]
进一步，利用电机速度环双积分控制器的稳态输出及施加给d轴电流环的斜坡电流得到电机的初始电角度，完成寻相，具体为：
[0021]
当电机进入稳态，则：
[0022][0023]
得到电机电角度估计误差：
[0024][0025]
电机实际初始电角度θ
*
为θ
*
＝θ-δθ，从而完成电机寻相。
[0026]
进一步，所述实际初始电角度为电机启动前park变换中转子的d轴相对于α轴的电角度。
[0027]
进一步，所述闭环系统包括外环和内环，所述外环为速度环，内环为电流环，所述电流环包括两路，具体为q轴电流环及d轴电流环。
[0028]
一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述永磁同步电机寻相方法。
[0029]
一种设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的所述永磁同步电机寻相方法。
[0030]
本发明的有益效果：
[0031]
(1)本发明在永磁同步电机搭建速度环和电流环闭环系统并设计速度环双积分控制器，在系统运行过程中，给d轴电流环施加斜坡指令信号，等待系统进入稳态后利用双积
分控制器的输出和d轴电流环给定信号求解得到电机初始电角度，完成电机寻相。本发明方法将电机寻相问题转化为在电机速度环闭环系统中设计双积分控制器跟踪给定的斜坡信号的问题，不用额外增加传感器。不仅减少了成本、不增加系统的复杂度，而且寻相的算法简单，容易实现，寻相精度高、速度快，寻相过程电机产生的位移小。
[0032]
(2)本发明方法利用永磁同步电机系统在速度环闭环运行情况下的稳态信息与给定电流信号得到电机的初始电角度，避免了某些寻相方法中由于开环实验给电机施加电压或者电流信号带来的加速度过大或者启动失败等问题。
附图说明
[0033]
图1是本发明的工作流程图；
[0034]
图2是本发明电机速度环及电流环闭环系统结构示意图；
[0035]
图3是是电机达到稳态时，park变换中电角度与电流关系示意图；
[0036]
图4是d轴电流环给定斜坡电流信号；
[0037]
图5是寻相过程电机位移曲线；
[0038]
图6是寻相过程双积分控制器的输出曲线。
具体实施方式
[0039]
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0040]
实施例1
[0041]
一种基于速度环双积分控制器的永磁同步电机寻相方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0042]
s1搭建电机速度环以及电流环闭环系统，电机速度环采用双积分控制器；为估计的初始电角度，实际初始电角度为θ
*
＝θ-δθ，δθ为电角度估计误差，双积分控制器的参数根据用户需要进行设计，参数包括比例系数k
p1
,k
p2
以及积分系数k
i1
,k
i2
。
[0043]
进一步，双积分控制器的形式为：串联
[0044]
进一步，所述估计的初始电角度具体为即电机启动前park变换中转子的d轴相对于α轴的电角度。
[0045]
进一步，如图2所示，所述闭环系统包括电流环及速度环，电流环为内环，包括两路，分别为d轴电流环和q轴电流环，电流环包括q轴控制器、d轴控制器，park逆变换、svpwm(空间矢量脉冲调制)、clark变换及park变换。速度环是外环，包括双积分控制器、电流环、增量式编码器及永磁同步电机(pmsm)。
[0046]
所述电机还与增量式编码器连接，所述增量式编码器作为电机速度检测装置输出脉冲信号传送到电机驱动器计算出转子的速度，然后输出给双积分控制器。
[0047]
s2电机闭环运行过程中，双积分控制器初始状态设置为0，速度环指令信号设置为0，给d轴电流环施加如图4所示的斜坡指令信号i
dr
，经过d轴电流环以及矢量控制中的坐标变换后作用在电机上，并产生反馈电流信号i
df
。由于电机系统初始电角度的存在，根据park变换，电机在d轴电流环给定信号i
dr
的作用下，会在q轴电流环产生电流反馈信号i
qf
。i
df
和iqf
满足如下关系：
[0048][0049][0050]
其中δθ是电角度估计误差，即δθ＝θ-θ
*
，是d轴电流的实际值，是q轴电流的实际值。
[0051]
s3电机d轴电流环收到斜坡指令信号后开始运动，经过电机电流环与电机速度环得到电机速度响应。当电机达到稳态时，系统处于静止状态，根据park变换，电机电流与电角度的关系如图3所示，在不考虑系统摩擦力和齿槽力影响的情况下，q轴电流的实际值为0，因此根据(1)、(2)可得
[0052][0053][0054]
此时q轴电流环控制器的输入为0，因此速度环双积分控制器的输出uq＝i
qf
，d轴给定电流信号i
dr
＝i
df
，采集此时速度环双积分控制器输出uq。
[0055]
s4当电机进入稳态时，根据公式(3)、(4)，可得到：
[0056][0057]
因此可以求出电机电角度估计误差：
[0058][0059]
电机实际初始电角度θ
*
为θ
*
＝θ-δθ，从而完成电机寻相的过程。
[0060]
本发明通过设计电机速度环双积分控制器以及给d轴电流环施加斜坡指令信号的方式实现电机寻相，不用额外增加电机的传感器，节约了成本。并且基于速度环双积分控制器的寻相方法具有简单、易实现，寻相精度高、速度快，寻相过程电机产生的位移小等优点。
[0061]
本实施例中，取电机估计的初始估计电角度θ＝0，双积分控制器参数为：k
p1
＝2,k
i1
＝0.001,k
p2
＝12,k
i2
＝0.0125。为了验证本发明中的寻相方法精确度，在实施例中的电机安装了绝对值编码器，寻相过程电机产生的位移根据绝对值编码器的测量值可得到，在实验初始阶段将电机初始电角度调至66.4
°
，然后施加如图4所示的斜坡指令信号。如图5所示，寻相过程中电机在d轴电流环斜坡信号的作用下，产生很小的位移，曲线上的毛刺是由于测量噪声引起。图6为寻相过程中双积分控制器的输出曲线，在系统进入稳态后，双积分控制器的输出uq为-0.9593，根据上面实施步骤计算出来电机实际初始电角度0.9593，根据上面实施步骤计算出来电机实际初始电角度寻相误差为1.7
°
，根据绝对值编码器可测的电机寻相过程产生的位移小于0.4
°
。通过综上所述，本发明一种基于速度环双积分控制器的永磁同步电机寻相方法具有寻相精度高、速度快、电机产生位移小的优点。
[0062]
实施例2
[0063]
一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所
述永磁同步电机寻相方法。
[0064]
所述永磁同步电机寻相方法，包括：
[0065]
构建电机速度环及电流环闭环系统，其中电机速度环采用双积分控制器；
[0066]
双积分控制器初始状态设置为0，电机速度环指令信号设置为0，电机闭环运行，d轴电流环施加斜坡指令信号；
[0067]
永磁同步电机收到指令信号后开始运动，并得到电机速度响应，待电机进入稳态，采集速度环双积分控制器的输出；
[0068]
利用电机速度环双积分控制器的稳态输出及施加给d轴电流环的斜坡电流得到电机的初始电角度，完成寻相。
[0069]
实施例3
[0070]
一种设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的所述永磁同步电机寻相方法。
[0071]
所述永磁同步电机寻相方法，包括：
[0072]
构建电机速度环及电流环闭环系统，其中电机速度环采用双积分控制器；
[0073]
双积分控制器初始状态设置为0，电机速度环指令信号设置为0，电机闭环运行，d轴电流环施加斜坡指令信号；
[0074]
永磁同步电机收到指令信号后开始运动，并得到电机速度响应，待电机进入稳态，采集速度环双积分控制器的输出；
[0075]
利用电机速度环双积分控制器的稳态输出及施加给d轴电流环的斜坡电流得到电机的初始电角度，完成寻相。
[0076]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。