基于离散电流矢量的相幅协调的电机运行控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明的技术方案涉及一种电机控制技术，具体地说是基于离散电流矢量的相幅 协调的电机运行控制方法。
【背景技术】
[0002] 交流步进传动控制是一种化电机连续运行为步进运行的控制策略，以获得电机的 步进直驱调速、微步定位等运行方式，其已在异步电机、同步电机以及开关磁阻电机上得到 应用。交流步进的技术是，将电机连续电流按离散步数1^等步距离散成阶梯波电流，以三 相电机为例如式（1):
[0003]
【主权项】
1. 一种基于离散电流矢量的相幅协调的电机运行控制方法，其特征在于该控制方法是 根据电机运行过程中的进行相幅协调控制的三种控制不同要求：第一种，以输出转矩最大 为目标、第二种，以转矩脉动最小为目标和第三种，以位置偏差最小为目标，分别对电流矢 量的相角和幅值进行协调控制，具体方法如下： I.本发明控制方法所用装置及操作： 本发明控制方法所用装置，包括相幅协调控制模块、电流控制模块、功率电路、电机、位 置检测模块和电流检测模块；相幅协调控制模块一端与电流控制模块相连，另一端与位置 检测模块相连；电流控制模块与功率电路的信号控制端相连，功率电路的输出端通过导线 与电机相连，且导线穿过电流检测模块，电流检测模块又与电流控制模块连接，位置检测模 块与电机进行同轴安装； II .本发明控制方法针对电机运行过程中进行相幅协调控制的三种不同控制目标分 别对电流矢量的相角和幅值进行相幅协调控制的具体步骤如下： 第一种，以输出转矩最大为目标的相幅协调控制方法： 当电机快速升或减速时，需要输出最大转矩，根据上述公式（2)
其中ε为矩角，即电流矢量is与转子磁链间的夹角，获得最大转矩应满足给定离 散电流矢量幅值为最大值IisI = Im，矩角ε在Ji/2±0. 5 0b内变化，其中Θ b=2Ji/bHS 步距角； 相幅协调控制步骤包括： 第一步，检测转子的机械角位置： 相幅协调控制模块通过位置检测模块检测到转子的机械角位置Θ m;选取极对数为p 的电机，则A相绕组的轴线的个数为p，该机械角位置Θ m以其中一个A相绕组的轴线位置 为〇起始； 第二步，计算给定离散电流矢量的位置： 由相幅协调控制模块将第一步中检测到的机械角位置0"1带入公式（2)，根据公式（3) 计算所给定离散电流矢量is(k)的序号：
式中，round表示四舍五入运算；％表示取余运算；符号" 土"指当电磁转矩出力方向 与正方向相同时，取" + "，当电磁转矩出力方向与正方向相反时，取所述正方向为面向 电机输出轴的逆时针方向， 根据给定离散电流矢量is(k)的序号可以确定给定离散电流矢量的位置，即给定离散 电流矢量的相角k Θ b; 第三步，输出给定离散电流矢量： 将给定离散电流矢量is(k)的幅值IisI = Im和第二步得到的给定离散电流矢量的相 角k Θ b给到电流控制模块，采用电流滞环控制或者电流PID控制中的任意一种电流控制方 法控制电机电流跟随给定电流，从而实现输出转矩最大的控制； 第二种，以转矩脉动最小为目标的相幅协调控制方法： 当电机匀速运行时，要求电机输出的电磁转矩应与负载转矩满足电机转矩平衡方程， 即满足公式（4)，
(4) 式中，TY为负载转矩，J为转动惯量，ω为电机的电角速度； 此时，令给定的电磁转矩I?应等于负载转矩1\，给定离散电流矢量幅值|is|根据公式 ⑵按给定的电磁转矩IVH十算得到，当矩角ε在31/2±0. 5 Θ ,内变化时，使得转矩脉动最 小，其中Qb= 2 π/bH为步距角； 相幅协调控制步骤为： 第一步，检测转子的机械角位置： 相幅协调控制模块通过位置检测模块检测到转子的机械角位置Θ m，选取极对数为p的 电机，则A相绕组的轴线的个数为p，该机械角位置Θ m以其中一个A相绕组的轴线位置为 〇起始； 第二步，计算给定离散电流矢量的位置： 由相幅协调控制模块1将第一步中检测到的机械角位置带入公式（3)
式中，round表示四舍五入运算，％表示取余运算；符号" 土"指当电磁转矩出力方向 与正方向同时，取" + "，当电磁转矩出力方向与正方向相反时，取所述正方向为面向电 机输出轴的逆时针方向， 根据公式（3)计算所给定离散电流矢量is(k)的序号，再根据给定离散电流矢量is(k) 的序号可以确定给定离散电流矢量的位置，即给定离散电流矢量的相角k Θ b; 第三步，计算给定离散电流矢量幅值： 根据给定电磁转矩与负载转矩的平衡关系??=?\可得到ΤΛ再将sine = 1及T/带 入公式（2)，可以得到公式（5):
控制中，?Υ可通过负载转矩估计器得到1\的估计值，从而根据公式（5)得到给定离散 电流矢量的幅值； 第四步，输出给定离散电流矢量： 将根据第三步计算得到的给定离散电流矢量的幅值和根据第二步计算得到的给定离 散电流矢量的相角k Θ b给到电流检测模块，采用电流滞环控制或者电流PID控制中的任意 一种电流控制方法控制电机电流的跟随给定电流，从而实现转矩脉动最小的控制； 第三种，以位置偏差最小为目标的相幅协调控制方法： 当运行中的电机受制动转矩减速至定位点附近，且速度较低时，提供一个可使转子恰 好停在位置偏差最小的定位点处的给定电磁转矩ΤΛ此时给定电磁转矩T/为已知值，给定 离散电流矢量的相角和幅值应同时根据此已知的给定电磁转矩I?进行调整； 相幅协调控制步骤为： 第一步，检测转子的机械角位置： 通过位置检测模块检测到转子的机械角位置Θ m，选取极对数为P的电机，则A相绕组 的轴线的个数为P，该机械角位置Θ m以其中一个A相绕组的轴线位置为O起始； 第二步，以额定电流计算给定离散电流矢量的相角： 为平衡负载转矩，采用额定电流L估算电流矢量的相位，由相幅协调控制模块1将第 一步中检测到的机械角位置0"1带入公式（6)，
式中，round表示四舍五入运算，％表示取余运算，符号" 土"指当电磁转矩出力方向 与正方向相同时，取" + "，当电磁转矩出力方向与正方向相反时，取所述正方向为面向 电机输出轴的逆时针方向，其中Gb= 2π/bH为步距角； 根据公式（6)得到给定离散电流矢量、(1〇的序号，再根据给定离散电流矢量is(k)的 序号可以确定给定离散电流矢量的位置，即给定离散电流矢量的相角k Θ b; 第三步，计算给定离散电流矢量的幅值： 将已知给定电磁转矩I?及矩角ε =k0 入公式（2)，可以得到公式（7):
从而根据公式（7)得到给定离散电流矢量的幅值； 第四步，输出给定离散电流矢量： 将根据第三步计算得到的给定离散电流矢量的幅值和根据第二步计算得到的给定离 散电流矢量的相角k Θ b给到电流检测模块，采用电流滞环控制或者电流PID控制中的任意 一种电流控制方法控制电机电流跟随给定电流，从而实现位置偏差最小的控制。
【专利摘要】本发明基于离散电流矢量的相幅协调的电机运行控制方法，其特征在于该控制方法是根据电机运行过程中的进行相幅协调控制的三种控制不同要求：第一种，以输出转矩最大为目标、第二种，以转矩脉动最小为目标和第三种，以位置偏差最小为目标，分别对电流矢量的相角和幅值进行协调控制，该控制方法所用装置，包括相幅协调控制模块、电流控制模块、功率电路、电机、位置检测模块和电流检测模块；相幅协调控制模块一端与电流控制模块相连，另一端与位置检测模块相连；电流控制模块与功率电路的信号控制端相连，功率电路的输出端通过导线与电机相连，且导线穿过电流检测模块，电流检测模块又与电流控制模块连接，位置检测模块与电机进行同轴安装。
【IPC分类】H02P21-00
【公开号】CN104868811
【申请号】CN201510352732
【发明人】董砚, 孙鹤旭, 荆锴, 李国庆, 郭贤朝, 梁涛, 雷兆明
【申请人】河北工业大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年6月23日