一种基于转矩控制的伺服电机控制系统和方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种基于转矩控制的伺服电机控制系统和方法，其中转矩控制作为永磁同步电机的主要控制方法，不但实现磁链模值，还要实现电磁转矩的跟踪控制，通过选择合适的定子电压矢量，让定子磁链的运动轨迹为圆形。永磁同步电机直接转矩控制结构对传统的SVPWM技术进行改进，使用空间电压矢量脉宽调制技术对逆变器进行控制，使判断环节与作用时间求解环节运算量减小，提高伺服电机控制效率，从而达到提高生产商经济效益、节能减排的目的。
【专利说明】
-种基于转矩控制的伺服电机控制系统和方法
技术领域
[0001] 本发明设及电机控制技术领域，尤其设及一种基于转矩控制的伺服电机控制系统 和方法。
【背景技术】
[0002] 永磁材料的被大家广泛认知，稀±永磁材料因其较高的剩磁密度、矫顽力和高磁 能积而被利用到同步电机的设计中。永磁同步电机本身不存在励磁装置，运使得它的安全 性、稳定性和功率密度的到提高。同时，永磁同步电机在调速系统中具有很大的调速范围和 较高的功率因数。基于W上优点，永磁同步电机可W很好的满足伺服驱动控制系统的需求， 提高电机运行性能和技术能力水平。
[0003] 近年来伺服控制器的研究和开发已经成为电类行业的一个主题，而发展目标是使 该控制器具有较强适应能力。随着电机制造与控制技术的蓬勃发展，W及大规模集成电路、 半导体功率器件和微处理器技术的成熟，交流伺服控制系统的应用受到了广泛认可。
[0004] 现有技术中，伺服控制系统一般有=种控制方法，包括速度控制方式、转矩控制方 式和位置控制方式，转矩控制方式中，控制器加载SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制）算法，而传统的SVPWM算法是基于电压矢量的正交分量实 现的，电压矢量所在的扇区、作用时间的求解均需要对正交分量进行复杂的运算得到，计算 复杂，运行时间长，降低控制系统运行效率。
【发明内容】
[0005] 本发明的实施例提供一种基于转矩控制的伺服电机控制系统及方法，能够缩短运 算时间，并提高伺服电机控制效率。
[0006] 为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
[0007] 第一方面，本发明的实施例提供一种基于转矩控制的伺服电机控制系统，包括逆 变器，所述逆变器连接DSP(Digital Si即al Processing,数字信号处理）忍片和PI (Proportional-Integral，比例积分）调节器，所述PI调节器还连接DSP忍片，所述DSP忍片 连接IGBTQnsulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管）模块，所述IGBT模 块与电机相连。
[000引第二方面，本发明的实施例提供一种基于转矩控制的伺服电机控制方法，所述方 法包括：
[0009] 101、所述DSP忍片检测所述逆变器输出的S相电流和直流侧电压，其中所述逆变 器连接所述DSP忍片，在逆变器的输出端加电流传感器检测S相电流，在输入端加电压传感 器检测直流侧电压；
[0010] 102、根据所述S相电流和所述直流侧电压，经所述DSP忍片加载的坐标变换和系 统控制规律，计算出电机的电磁转矩、定子磁链和定子磁链的相位角0 ;
[0011] 103、所述PI调节器预测磁链相位角增量A 0，补偿转矩观测值T与速度调节器输出 的转矩参考值T*直接的转矩误差A T，其中，所述PI调节器分别连接所述逆变器和所述DSP 忍片；
[0012] 104、所述DSP忍片根据所述磁链相位角增量A 0计算定子磁链的参考矢量!探!，与 定子磁链观测值恥比较后得到定子磁链的矢量误差A托；
[0013] 105、所述DSP忍片根据所述定子磁链的矢量误差A恥经过电压空间矢量计算模型 获取相应的补偿电压分量S综和冷；
[0014] 106、所述DSP忍片上加载SVP丽算法，根据所述电压分量錦和，續计算控制信号，并 将所述控制信号传输至控制模块，其中，所述控制模块集成在逆变器上，所述控制信号用于 控制电机转速。
[001引进一步的，所述SVPWM算法，通过所述补偿电压分量絲和4可确定逆变器输出电 压URET所在的扇区，再根据立相定子电压之间的差值求解作用时间，其中，立相定子电压通 过逆变器上设置的电压传感器检测得出。
[0016] 1061、其中，a-0坐标系分为6个扇区,URET与a轴成目：
[001 7] 矢量URET所在的扇区由 < 和喝:决定，具体关系如下表：
[001 引
中 A、B、C、P均为数学推导中提取出的公因式，无实际意义，P与对应扇区的关系如下表： 「nwnl
[00別]即可得到邮ET所在扇区。
[0022] 1062、X = -V3Ts/2Udc*(B)，Y = -V3Ts/2Udc*(C)
庚中，Ts 为 周期，Udc为直流侧电压值，X、Y、Z均为数学推导中的公因式，无实际意义。
[002；3] Tn、Tn+功URET对应两个IGBT开关组合的作用时间，扇区和Tn、Tn+i的关系如下表： r〇o?4i
处于模式I时的电压，Tl, T2是开关模式I的作用时间。
[0027]由上式可得：
[00%] 同理，其他各扇区相邻两个矢量的作用时同可用此方法算出。
[0029] 进一步的，所述控制模块采用IGBT模块实现功能，并通过IGBT模块控制电机的转 速。IGBT模块中包含Vl~V6六个IGBT器件，IGBT是一类高电压可控器件，在电路中非通即 断，IGBT器件两个一组串联，共S组，S组IGBT器件再并联，同一组中的IGBT器件只有一个 开通，故六个IGBT器件共有8个工作状态，若W1表示开通，0表示关断，则8个工作状态可表 示为000,001，010,011，100,101，110,111。其中000与111为两个零矢量，其他六个为非零矢 量，且每个非零矢量的模值为2/抓dc，其中Udc为直流侧电压。IGBT器件在DSP忍片的控制下 轮流通断，在DSP忍片的S个输出端，通过000,001，010,011，100,101，110,111信号来控制 IGBT通断，从而控制电机转速。
[0030] 永磁同步电机直接转矩控制结构对传统的SVPWM算法技术进行改进，使用空间电 压矢量脉宽调制技术对逆变器进行控制，使判断环节与作用时间求解环节运算量减小。
[0031] 传统的SVPWM算法基于电压矢量的正交分量，运算复杂，本发明中，SVPWM算法区别 于传统算法，依据电压矢量的角度值判断扇区，依据=相定子电压之间的差值求解作用时 间，比起传统的SVPWM算法控制，更加简便，易懂
[0032] 本发明实施例提供的伺服电机控制方法，主要用于伺服电机控制系统，尤其是作 为机电一体化技术的重要组成部分而应用于工厂自动化设备中。
[0033] 其中转矩控制作为永磁同步电机的主要控制方法，不但实现磁链模值，还要实现 电磁转矩的跟踪控制，通过选择合适的定子电压矢量，让定子磁链的运动轨迹为圆形。提高 现有伺服系统的控制效率，从而达到提高生产，产生经济效益、节能减排的目的。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明实施例提供的基于转矩控制的伺服控制系统的结构示意图；
[0035] 图2为本发明实施例提供的基于转矩控制的伺服控制方法的流程图；
[0036] 图3为本发明实施例提供的基于转矩控制的伺服控制系统及方法结合的示意图；
[0037] 图4为电压空间矢量分布示意图；
[0038] 图5为向量分解图；
[0039] 图6为IGBT模块示意图。
【具体实施方式】
[0040] 本发明的实施例提供一种基于转矩控制的伺服电机控制系统，如图1所示，包括逆 变器，所述逆变器连接DSP忍片和PI调节器，所述PI调节器还连接DSP忍片，所述DSP忍片连 接IGBT模块，所述IGBT模块与电机相连。
[0041] 本发明的实施例还提供一种基于转矩控制的伺服电机控制方法，所述方法流程图 如图2所示，包括：
[0042] 101、所述DSP忍片检测所述逆变器输出的S相电流和直流侧电压，其中所述逆变 器连接所述DSP忍片，在逆变器的输出端加电流传感器检测S相电流，在输入端加电压传感 器检测直流侧电压；
[0043] 102、根据所述S相电流和所述直流侧电压，经所述DSP忍片加载的坐标变换和系 统控制规律，计算出电机的电磁转矩、定子磁链和定子磁链的相位角0 ;
[0044] 103、所述PI调节器预测磁链相位角增量A 0，补偿转矩观测值T与速度调节器输出 的转矩参考值T*直接的转矩误差A T，其中，所述PI调节器分别连接所述逆变器和所述DSP 忍片；
[0045] 104、所述DSP忍片根据所述磁链相位角增量A 0计算定子磁链的参考矢量蛾1,与 定子磁链观测值恥比较后得到定子磁链的矢量误差A托；
[0046] 105、所述DSP忍片根据所述定子磁链的矢量误差A恥经过电压空间矢量计算模型 获取相应的补偿电压分量S爲和所述电压空间矢量分布如图4所示；
[0047] 106、所述DSP忍片上加载SVPWM算法，根据所述电压分量碱和雌计算控制信号，并 将所述控制信号传输至控制模块，其中，所述控制模块集成在逆变器上，所述控制信号用于 控制电机转速。
[004引进一步的，所述SVPWM算法，通过所述补偿电压分量S爲牙听译可确定逆变器输出电压 URET所在的扇区，再根据立相定子电压之间的差值求解作用时间，其中，立相定子电压通过 逆变器上设置的电压传感器检测得出。
[0049] 1061、其中，a-0坐标系分为6个扇区,URET与a轴成白
如图5所示。
[0050] 矢量URET所在的扇区由嫁和Sf决定，具体关系如下表：
[0化1 ]
[0(
軒 A、B、C、P均为数学推导中提取出的公因式，无实际意义，P与对应扇区的关系如下表： 「nncoI
[0054] ~即可#到邮ET所在扇区。 '
' ' ' '
[0055] 1062、X = -V3Ts/2Udc*(B)，Y = -V3Ts/2Udc*(C)
，其中，Ts 为 周期，Udc为直流侧电压值，X、Y、Z均为数学推导中的公因式，无实际意义。
[00?] Tn、Tn+功URET对应两个IGBT开关组合的作用时间，扇区和Tn、Tn+i的关系如下表：
[005引 W第I扇区为例，根据下表可得：
[0059]
其中V1，V2是开关 处于模式1时的电压，Tl, T2是开关模式1的作用时间。
[0060] 由上式可得
[0061] 同理，其他各扇区相邻两个矢量的作用时间可用此方法算出。
[0062] 进一步的，所述控制模块采用IGBT模块实现功能，IGBT模块如图6所示，并通过 IGBT模块控制电机的转速。IGBT模块中包含Vl~V6六个IGBT器件，IGBT是一类高电压可控 器件，在电路中非通即断，IGBT器件两个一组串联，共S组，S组IGBT器件再并联，同一组中 的IGBT器件只有一个开通，故六个IGBT器件共有8个工作状态，若W1表示开通，0表示关断， 贝化个工作状态可表示为000，〇〇1，〇1〇，〇11，100,101，110,111。其中000与111为两个零矢 量，其他六个为非零矢量，且每个非零矢量的模值为2/3Udc，其中Udc为直流侧电压。IGBT器 件在DSP忍片的控制下轮流通断，在DSP忍片的S个输出端，通过000,001，010,011，100， 101，110，111信号来控制IGBT通断，从而控制电机转速。
【主权项】
1. 一种基于转矩控制的伺服电机控制系统，其特征在于，包括逆变器，所述逆变器连接 DSP忍片和PI调节器，所述PI调节器还连接DSP忍片，所述DSP忍片连接IGBT模块，所述IGBT 模块与电机相连。2. -种基于转矩控制的伺服电机控制方法，其特征在于，所述方法包括： 所述DSP忍片检测所述逆变器输出的Ξ相电流和直流侧电压，其中所述逆变器连接所 述DSP忍片； 根据所述Ξ相电流和所述直流侧电压，经所述DSP忍片加载的坐标变换和系统控制规 律，计算出电机的电磁转矩、定子磁链和定子磁链的相位角Θ ; 所述PI调节器预测磁链相位角增量A Θ，补偿转矩观测值T与速度调节器输出的转矩参 考值T*直接的转矩误差Δ T，其中，所述PI调节器分别连接所述逆变器和所述DSP忍片； 所述DSP忍片根据所述磁链相位角增量Δ Θ计算定子磁链的参考矢量悚^与定子磁链观 测值恥比较后得到定子磁链的矢量误差A托； 所述DSP忍片根据所述定子磁链的矢量误差Δ恥经过电压空间矢量计算模型获取相应 的补偿电压分量絲和 所述DSP忍片上加载SVP歷算法，根据所述电压分量·端和喝计算控制信号，并将所述控 制信号传输至控制模块，其中，所述控制模块集成在逆变器上，所述控制信号用于控制电机 转速。3. 根据权利要求2所述的一种基于转矩控制的伺服电机控制方法，其特征在于，所述 SVP歷算法，通过所述补偿电压分量磯和S續可确定逆变器输出电压URET所在的扇区，再根据 Ξ相定子电压之间的差值求解作用时间。4. 根据权利要求2所述的一种基于转矩控制的伺服电机控制方法，其特征在于，所述控 制模块采用IGBT模块实现功能，并通过IGBT模块控制电机的转速。
【文档编号】H02P21/28GK105846744SQ201610388602
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】陈双锋, 骆皓, 唐星阳, 黄灿
【申请人】南京工程学院