基于mems陀螺的永磁同步电机矢量控制调速方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于MEMS陀螺的永磁同步电机矢量控制调速方法。
【背景技术】
[0002]永磁同步电机采用永久磁铁产生气隙磁通而不需要外部励磁，具有极好效率特性极高的功率密度以及转矩惯量比等优点，成为伺服控制系统的首选。矢量控制以转子磁链矢量为参考坐标，将定子电流分为励磁分量和转矩分量分别进行独立控制，不论在电机低速运行区还是在电机高速运行区具有较好的抗扰动性能启动制动性能和稳定性能，广泛应用于永磁同步电机调速系统中。位置传感器一方面为矢量控制中的矢量变换提供角度信息，另一方面为调速控制提供反馈速度信息。
[0003]电位计是早期用于调速系统的位置传感器，输出的信号含有较大的干扰，而且可靠性较差。数字编码器是目前永磁同步电机调速系统采用最广的位置传感器，其对应的测速方法有M法、T法、Μ/T法。速度反馈信息存在一定的滞后，而且低速状态下的精度较差。恶劣的工作环境，使得数字编码器和电位器容易出现故障，降低调速系统的性能。无位置传感器控制技术，是一种摆脱硬件的设计思路，但电流、电压采集过程中的滤波，会使得位置信息存在滞后，而且精度较差。近年来，微机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)得到长足的发展，MEMS陀螺逐渐走向微型化、智能化、多功能以及高集成度化，为永磁同步电机矢量控制调速转子位置信息的测量提供全新的途径。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种基于MEMS陀螺的永磁同步电机矢量控制调速方法，利用MEMS陀螺的输出提供矢量控制调速所需要的位置信息和速度信息。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:将MEMS陀螺安装在永磁同步电机的转子上，作为转子位置信息的传感器。结合MEMS陀螺输出速度信号的特点，以MEMS陀螺的输出作为调速系统的速度反馈信息。将MEMS陀螺仪的输出进行积分，得到的角度信号，作为矢量控制中的park变换和park逆变换所需要的角度信息。
[0006]本发明提供的调速方法，包括以下环节:
[0007]I)给A相上桥、B相及C相下桥导通，形成与A相绕组轴线重合的定子绕组，吸引二相旋转坐标系的d轴至A相绕组轴线。此时刻作为控制时角度的零度位置。
[0008]2)读取MEMS陀螺的输出w作为速度环的反馈，结合速度环的给定，以及所采用的控制方法，产生速度环的输出。
[0009]3)结合每个控制周期的时间间隔，将MEMS陀螺的输出w进行积分，得到转子位置信息。结合该转子位置信息、速度环的输出、相电流信号、控制方法，产生电流环的输出。
[0010]本发明的有益效果是:
[0011]I)宽范围的提供转子速度信息。可根据调速系统的调速范围，选用不同量程的MEMS陀螺，克服目前永磁同步电机调速系统低速状态下测速难的问题。
[0012]2)瞬时提供转子速度信息。MEMS陀螺进行瞬时测速的特点，使得所提方法测量得到的速度信息不存在滞后问题。
[0013]3)瞬时提供转子速度信息。利用瞬时得到的速度信息积分得到瞬时的角度，能够克服角度信息分辨率低的问题。
[0014]4)低成本的位置传感器设计。MEMS陀螺的低成本，使得该方法在成本方面具有优势。
[0015]5)高可靠性的位置传感器设计。MEMS陀螺的高可靠性，使得该方法在可靠性方面具有优势。
[0016]6)小体积的位置传感器设计。MEMS陀螺的小尺寸，使得该方法在尺寸方面具有优势。
【附图说明】
[0017]图1为基于MEMS陀螺的永磁同步电机矢量控制调速框图。
[0018]图中，1-永磁同步电机，2-MEMS陀螺，3_电流采样，4_功率变换，5_隔离输出，6-电源变换，7-CPU，8-输入电源，9-隔离变换。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0020]本发明实施实例的结构参照图1，由永磁同步电机1、MEMS陀螺2、电流采样3、功率变换4、隔离输出5、电源变换6、CPU 7、输入电源8、隔离变换9组成。
[0021]永磁同步电机I的主要性能如下:无刷，额定电流2.1A，额定电压27V，额定转速1800rpm，工作温度_40°C?+80 °C，电机设计磁钢选用钕铁綳，铁芯材料选用DW360。
[0022]MEMS陀螺2采用ST公司提供的L3G4200D为三轴数字陀螺仪，主要特性如下:数字通信接口支持I2C和SPI，可配置的量程为±250/500/2000dps。
[0023]电流采样3采用霍尔电流传感器ACS712，实现永磁同步电机相电流的隔离采样，为永磁同步电机控制提供电流信号。
[0024]功率驱动4采用分立元件搭建。选用功率MOSFET IRFR3412，具有输入阻抗高、开关频率高、通态电压低、热稳定性好、导通阻值低、体积小、发热量小、保护电路简单等优点。该功率开关管的最大输入电流可以高达40A。综合考虑所选电机容量及开关频率需求，驱动芯片选用高速功率场效应管驱动芯片IR2103S。
[0025]隔尚输出5将控制部分和电机驱动部分相互隔尚，防止永磁同步电机对DSP的工作产生干扰，保证装置运行的可靠性。考虑装置的体积和可靠性，隔离芯片采用ADUM1401。
[0026]输入电源8采用的电源特性为:额定电压27V、额定电流1A0 CPU需要的电源由输入电源8经过隔离变换9提供；电机驱动部分需要的+5V电源和+15V电源由输入电源8经过电源变换6提供。
[0027]CPU 10采用TMS320F2812 DSP芯片，时钟频率为150MHz，充分利用DSP芯片的高速信号处理能力和电机控制优化的外围电路，以及控制精度高、抗干扰能力强和成本较低等优点。
[0028]本发明实施过程中，首先需要确定转子的零位。即给A相上桥、B相及C相下桥导通，形成与A相绕组轴线重合的定子绕组，吸引二相旋转坐标系的d轴至A相绕组轴线。以此时刻转子的位置，作为控制时角度的零度位置。速度环和电流环的双环控制原则为:内环电流环，基本控制周期是0.1ms ;外环为速度环，基本控制周期是lms。0.1ms的时间基准，采用定时器中断的方式产生。速度环的控制中，读取MEMS陀螺的输出w作为速度环的反馈，结合速度环的给定，利用PI控制方法产生速度环的输出。电流环的控制中，结合每个控制周期的时间间隔0.1ms JfMEMS陀螺的输出w进行积分，得到转子位置信息。结合该转子位置信息、速度环的输出、相电流信号、控制方法，产生电流环的输出。
【主权项】
1.基于MEMS陀螺的永磁同步电机矢量控制调速方法，其特征在于:利用MEMS陀螺提供永磁同步电机矢量控制调速所需要的转子位置信息。
2.根据权利要求1所描述的基于MEMS陀螺的永磁同步电机矢量控制调速方法，其特征在于:读取MEMS陀螺的输出作为速度环的反馈，结合速度环的给定，以及所采用的控制方法，产生速度环的输出。
3.根据权利要求1所描述的基于MEMS陀螺的永磁同步电机矢量控制调速方法，其特征在于:结合每个控制周期的时间间隔，将MEMS陀螺的输出w进行积分，得到转子位置信息。结合该转子位置信息、速度环的输出、相电流信号、控制方法，产生电流环的输出。
4.根据权利要求1所描述的基于MEMS陀螺的永磁同步电机矢量控制调速方法，其特征在于:MEMS陀螺的输出进行积分时的初始位置获取方法为给A相上桥、B相及C相下桥导通，形成与A相绕组轴线重合的定子绕组，吸引二相旋转坐标系的d轴至A相绕组轴线。此时刻作为控制时角度的零度位置。
【专利摘要】本发明公开了一种基于MEMS陀螺的永磁同步电机矢量控制调速方法，利用MEMS陀螺提供永磁同步电机矢量控制调速所需要的转子位置信息。速度环控制中，读取MEMS陀螺的输出作为速度环的反馈，结合速度环的给定，以及所采用的控制方法，产生速度环的输出。电流环控制中，结合每个控制周期的时间间隔，将MEMS陀螺的输出进行积分，得到转子位置信息。结合该转子位置信息、速度环的输出、相电流信号、控制方法，产生电流环的输出。MEMS陀螺的输出进行积分时的初始位置获取方法为给A相上桥、B相及C相下桥导通，形成与A相绕组轴线重合的定子绕组，吸引二相旋转坐标系的d轴至A相绕组轴线。此时刻作为控制时角度的零度位置。
【IPC分类】H02P21-00
【公开号】CN104639000
【申请号】CN201410804821
【发明人】王德成, 周经伟, 林辉
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2014年12月12日