一种永磁同步电机微步驱动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种永磁同步电机微步驱动控制方法，特别是一种太阳帆板驱动装置 采用永磁同步电机驱动进行微步驱动的控制方法。
【背景技术】
[0002] 为了满足航天器在轨工作的能源需求，大多数航天器都采用帆板式太阳电池阵， 为了太阳电池的利用率尽可能高，通常采用太阳帆板驱动装置来驱动太阳帆板实现对日定 向。太阳帆板驱动装置采用永磁同步电机直接驱动闭环控制方案，驱动机构与挠性负载之 间不设减速装置，负载的任何特性和扰动都将毫无保留的传递至驱动电机的输出轴。通常 情况下，太阳帆板的惯量一般都非常大，且具有弱阻尼、大挠性等特点，使得帆板驱动实现 高性能闭环控制已非常困难，容易使得控制变得不稳定。
[0003] 《永磁同步电机多开关HALL的微步进标定方法及其矢量控制系统》（微电机， 2009,第42卷，第10期）针对一种使用大减速比减速器的卫星天线指向机构采用永磁同步 电机驱动方案提出了采用步进控制的开关HALL输出信号与电机磁极位置标定的方法，应 用SVPffM输出方式输出特定转角的电压矢量，实现360度电角度的65536划分，本质上也还 是一种VVVF的开环控制方案。
[0004] 《基于矩角控制的永磁同步电机位置控制系统》（电工技术学报，2006,第21卷，第 1期）、《基于矩角控制的PMSM伺服系统仿真和设计》（电力电子技术，2012,第46卷，第8 期）等文献采用的分析方法虽然都是根据电机的矩角特性，来实现永磁同步电机的位置控 制，但控制量是直接控制电机的三相控制电流、直接对三相电流进行离散化控制，因此这种 控制方法与定子电流矢量的矩角控制对应的物理意义并不明显。
[0005] 专利《基于SVPffM调制的永磁同步电机开环控制方法及系统》对于每个给定的定 子电源频率通过查找定子电压和定子电源频率的二维向量表来查找给定的定子电源频率 对应的定子电压的幅值，该二维向量表根据分段式压频比曲线预先设定，即提供的二维向 量表中的定子电压和定子电源频率的比值不是一个常值，而且在不同的区间段是不同的， 通过补偿V/F曲线直接输出电压矢量来实现开环控制。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了现有的太阳帆板驱动机 构采用永磁同步电机直接驱动闭环控制方案，在面对负载惯量大、弱阻尼、大挠性等情况时 具有控制不稳定的缺陷，提出了一种永磁同步电机微步驱动控制方法，对于大惯性负载具 有很好的定位性能，而且鲁棒性强、可靠性高、控制效果好。
[0007] 本发明的技术解决方案是：一种永磁同步电机微步驱动控制方法，包括如下步 骤：
[0008] (1)检测永磁同步电机转子当前位置，并记为永磁同步电机转子位置初始值Θ。， 计算得到转子下一时刻的位置S raf为
[0010] 其中，Wf3为永磁同步电机定子电流矢量旋转电角速度，t为永磁同步电机微步驱 动控制周期；
[0011] ⑵使用两个电流传感器检测永磁同步电机定子的电流值，并记为ia、ib，进而得 到永磁同步电机的定子三相电流i a、ib、i。，对三相电流ia、ib和i。进行3/2坐标变换，得到 两相静止坐标系下的电流分量i α、i e为
[0013] 其中，ic=-ia-ib;
[0014] (3)根据永磁同步电机转子下一时刻位置Θ 对同步旋转坐标系下的电流分量 ia、ip进行静止旋转坐标变换，得到同步旋转坐标系下的电流分量i sd、isq为
[0016] (4)令永磁同步电机力矩电流给定值〈为4，与isq进行比较得到电流差值Δ i sq， 令永磁同步电机励磁电流给定值ζ为零，与iji行比较得到电流差值Aisd，其中，C为永 磁同步电机的额定电流幅值；
[0017] (5)根据电流差值Δ isd、电流差值Δ isq生成同步旋转坐标系下的参考电压*4.、 4为
[0019] 其中，kpi为电流环调节比例系数，k "为电流环调节积分系数；
[0020] (6)根据永磁同步电机转子下一时刻位置Θ 、同步旋转坐标系下的参考电压C 及《i.计算得到SVPffM的参考输入电压心和《".为
[0022] (7)将心和*4'作为下一周期永磁同步电机微步驱动控制的电压，然后使用SVPffM 计算得到三相PWM占空比，使用三相逆变器根据三相PWM占空比产生下一个周期的驱动电 压，并使用该驱动电压驱动永磁同步电机。
[0023] 所述的电流环调节比例系数kpi的取值范围为[3. 5,10]，电流环调节积分系数k n 的取值范围为[0.3，0.8]。
[0024] 所述的电流环调节比例系数kpi的取值为7. 5,电流环调节积分系数k η的取值为 0·5819。
[0025] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0026] (1)本发明方法的永磁同步电机微步驱动使用转速开环控制方法，通过永磁同步 电机定子电流矢量离散的增量控制，解决了现有驱动方法在驱动大惯量、弱阻尼、大挠性负 载时容易谐振、控制不稳定的缺陷，具有系统结构简单、控制鲁棒性强、可靠性高等优点；
[0027] (2)本发明方法是一种直接控制电流的转速开环驱动方法，具有电流谐波小、力矩 输出稳定的优点；
[0028] (3)本发明方法直接对永磁同步电机定子电流矢量进行控制，将定子电流矢量的 旋转位置进行离散化，与现有的驱动控制方法相比，能够确定电机转子跟随定子电流矢量 的定位点，获得类似步进电机的步进控制效果；
[0029] (4)本发明方法能用于其它永磁同步电机开环驱动方案中，并可以应用到风机、航 天器天线驱动机构、水栗、普通机床等大惯量且无需频繁调速控制的应用环境。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明一种永磁同步电机微步驱动控制方法流程图；
[0031] 图2为本发明方法在同步旋转坐标系下永磁同步电机等效模型
[0032] 图3为本发明方法中微步驱动控制电机转子的运动轨迹；
[0033] 图4为本发明方法永磁同步电机A相电流曲线；
[0034] 图5为本发明方法永磁同步电机微步驱动速度波动曲线；
[0035] 图6为本发明方法在不同转矩电流驱动下太阳翼模拟挠性负载的速度波形测试 结果。
【具体实施方式】
[0036] -种永磁同步电机微步驱动控制方法，以永磁同步电机磁场定向矢量控制为基 础，目标是控制永磁同步电机转子随定子电流矢量的给定位置匀速变化而转动，其实现原 理是根据永磁同步电机转子磁场定向原理，当在固定位置给定一电流矢量，则永磁同步电 机转子永磁体的正方向（N极的指向）固定在给定的位置上。
[0037] 本发明方法采用以下技术方案：如图1所示为本发明一种永磁同步电机微步驱动 控制方法所需的控制系统包括永磁同步电机1、位置传感器或无位置传感器转子位置检测 模块2、位置给定计算模块3、电流传感器4、坐标变换模块5、d轴电流环调节模块6、q轴电 流环调节模块7、旋转坐标反变换模块8、SVPffM模块9、三相逆变器10，其中，位置传感器或 无位置传感器转子位置检测模块2用于初始定位，也可采用无位置传感器技术进行永磁同 步电机的初始定位，SVPffM模块9为空间矢量脉宽调制模块，tjk+l)，t 2(k+l)和t3(k+l)为 SVPffM模块输出的三相占空比。
[0038] 在幅值不变原则下，永磁同步电机在同步旋转坐标系（dq同步坐标系）下的数学 模型为
[0040] 式中，永磁同步电机定子绕组磁链方程表示为
[0042] 其中：usd, Usq表示永磁同步电机定子侧的d、q轴电压，i sd、isq表示定子侧的d、q轴 电流，Rs表示定子侧电枢电阻，ω 1^表示永磁同步电机转子机械角频率，p为微分算子，L sd、 Lsq表示定子侧的d、q轴电感，Φ sd、itsq表示定子侧的d、q轴磁链，Φ彦示永磁同步电机 转子永磁体在定子绕组中产生的磁链，即转子永磁磁链，P n表示转子极对数。
[0043] 电机电磁转矩方程：
[0045] 将式（2)代入式（3)，得到永磁同步电机电磁转矩表达式为
[0047] 本发明选择定子正弦波磁动势与永磁体基波励磁磁场间正交，并独立控制定子电 流幅值，实现转子同步旋转坐标中dq轴的解親控制，为实现转子磁场定向的矢量控制，令
[0049] 其中（为永磁同步电机力矩电流给定值气:，' 为令永磁同步电机励磁电流给定 值。
[0050] 实现了对两个电流分量的单独控制，从而实现了对转矩和气隙磁通实现独立控 制，可以得到电磁转矩表达式为
[0052] dq坐标系下永磁同步电机等效模型如图2所示，其中，1为两相静止坐标系，2为 dq同步旋转坐标系，3为永磁同步电机转子位置，d轴方向为永磁同步电机转子励磁磁链方 向，q轴方向为d轴逆时针旋转90°电角度方向，β为电机三相定子电流合成空间矢量与 永磁体励磁磁场轴线（直轴）的夹角，又称为转矩角，Θ ^为d轴轴线与A相绕组轴线的夹 角。将定子电流is进行dq轴分解，其d轴分量和q轴分量描述如下：
[0054] 其中，β为永磁同步电机定子电流矢量与永磁同步电机转子直轴的夹角。
[0055] 将式（7)代入式（4)，可以得到永磁同步电机数学模型中的电磁转矩方程为
[0057] 本发明方法采用隐极式永磁同步电机。转矩表达式可以简化如下：
[0059] 保持定子电流矢