一種交流伺服電機(jī)系統(tǒng)及其繞組三相電流的重構(gòu)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種交流電機(jī)驅(qū)動與控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種交流伺服電機(jī)系 統(tǒng)及其繞組=相電流的重構(gòu)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微處理器技術(shù)、功率電子器件、電機(jī)制造工藝的發(fā)展及高性能稀±永磁材料 的不斷涌現(xiàn)，交流伺服系統(tǒng)得到了長足發(fā)展。同時隨著W矢量控制算法為典型的現(xiàn)代控制 理論的提出，交流伺服系統(tǒng)在控制性能上已經(jīng)超越傳統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)。并且與其他類型電 機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的可靠性、功率密度的多方面都更勝一籌，也因該些優(yōu)點在工業(yè)領(lǐng)域 得到了普遍應(yīng)用，如機(jī)器人控制、數(shù)控機(jī)床、辦公自動化、軍用武器跟隨系統(tǒng)及航空航天領(lǐng) 域等。但由于永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)價格的高昂，一定程度限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬。因 此，如何在保證交流伺服系統(tǒng)高性能的同時，降低其成本具有重大意義。
[0003] 在采用矢量控制的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中，除需要微控制器和功率電路外，還 需要實時完成對轉(zhuǎn)子位置、速度及繞組電流的檢測W完成閉環(huán)控制。對轉(zhuǎn)子位置檢測的位 置傳感器主要包括；光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器、線性霍爾器件等。但該些傳感器的應(yīng)用無疑增 加了系統(tǒng)的成本，提高了信號處理電路的復(fù)雜性。因此，上世紀(jì)80年代人們開始致力于無 位置傳感器技術(shù)的研究，并提出了一系列位置檢測方法，基本完成了從高速到低速運行區(qū) 域的解決方案。在省去位置傳感器的同時，如何降低電流傳感器的數(shù)量成為下一步的研究 重點。為了獲得電機(jī)的相電流，傳統(tǒng)方法采用在繞組端加裝兩到=個電流傳感器，檢測相繞 組電流，另外在直流母線側(cè)加裝一個電流傳感器作為保護(hù)信號，不僅極大地增加了系統(tǒng)體 積、提高了成本、使信號調(diào)理電路復(fù)雜化，而且多個傳感器之間的產(chǎn)品差異也給電流檢測帶 來誤差。近年來，基于單電流傳感器的相電流重構(gòu)算法不斷涌現(xiàn)，但都是基于母線電流傳感 器的電流重構(gòu)，存在致命的盲區(qū)。因此，基于單電流傳感器的交流伺服電機(jī)相電流重構(gòu)技術(shù) 具有重要的研究價值和工程意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題中存在的不足之處，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是；在電機(jī)相電流 檢測過程中，由于使用了數(shù)量較多的電流傳感器，而導(dǎo)致的系統(tǒng)體積過大、成本增加、信號 調(diào)理電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，W及多個電流傳感器之間由于產(chǎn)品差異也會給電流檢測帶來誤差的缺 點。
[0005] 為了解決上述問題，本發(fā)明一方面，提供一種交流伺服電機(jī)系統(tǒng)，包括S相全橋逆 變控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和永磁同步電機(jī)，所述永磁同步電機(jī)與所述=相全橋逆變控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 交流輸出端連接，其中，所述=相全橋逆變控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括=相橋式逆變電路、直流電源 和電流傳感器，所述直流電源與所述=相橋式逆變電路的直流側(cè)并聯(lián)，所述=相橋式逆變 電路包括A相、B相和C相，所述電流傳感器用于檢測流經(jīng)所述B相上橋臂和所述C相上橋 臂的電流和、W及檢測流經(jīng)所述C相下橋臂的電流值；或檢測流經(jīng)所述C相上橋臂的電流 值、W及檢測流經(jīng)所述B相下橋臂和所述C相下橋臂的電流和。
[0006] 優(yōu)選的，所述電流傳感器的一端連接在所述A相上橋臂和所述B相上橋臂的連接 線上，W檢測流經(jīng)所述B相上橋臂和所述C相上橋臂的電流和，所述電流傳感器的另一端連 接在所述B相下橋臂和所述C相下橋臂的連接線上，W檢測流經(jīng)所述C相下橋臂的電流值。
[0007] 優(yōu)選的，所述電流傳感器的一端連接在所述B相上橋臂和所述C相上橋臂的連接 線上，W檢測流經(jīng)所述C相上橋臂的電流值，所述電流傳感器的另一端連接在所述A相下橋 臂和所述B相下橋臂的連接線上，W檢測流經(jīng)所述B相下橋臂和所述C相下橋臂的電流和。 [000引本發(fā)明另一方面，提供一種基于交流伺服電機(jī)系統(tǒng)的繞組=相電流的重構(gòu)方法， 其中，包括W下步驟：
[0009] S10、采用電壓空間矢量實現(xiàn)矢量控制方式，通過給定的兩相正交坐標(biāo)系下的電壓 U。、Up經(jīng)Clarke逆變換得到S相對稱繞組電壓U。、Ub、Uc;
[0010] S20、計算=相對稱繞組電壓的輸出電壓矢量中兩個電壓矢量的幅值之和，若不超 過闊值一，則執(zhí)行步驟S30 ;若兩個電壓矢量的幅值之和超過闊值一，則執(zhí)行步驟S40 ;
[0011] S30、在每個開關(guān)周期內(nèi)的兩個零矢量的作用時段，分別通過AD轉(zhuǎn)換器采樣電流 傳感器的輸出值，從而得到=相繞組的電流值；
[0012] S40、若兩個電壓矢量的幅值之和超過闊值一，則根據(jù)當(dāng)前電壓矢量的位置選擇采 樣方式，若開關(guān)周期內(nèi)的兩個電壓矢量的幅值都大于闊值二，則執(zhí)行步驟S50;若線性調(diào)制 區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)輸出電壓矢量中，兩個電壓矢量的幅值之和超過闊值一，則根據(jù)當(dāng)前電壓矢量 的位置選擇采樣方式，若開關(guān)周期內(nèi)的兩個電壓矢量的幅值任何一個小于闊值二，則執(zhí)行 步驟S60;
[0013] S50、在直流母線側(cè)安裝另一個單電流傳感器，在兩個電壓矢量作用時段，分別通 過AD轉(zhuǎn)換器采樣母線上電流傳感器的輸出值，并根據(jù)電壓矢量所處的扇區(qū)位置，確定兩次 采樣對應(yīng)的電流值，從而得到=相繞組的電流值；
[0014] S60、采用滑模電流觀測器加反饋校正的方式獲得S相繞組電流。
[0015] 優(yōu)選的，在所述步驟S20中，闊值一是由功率器件的通斷延遲時間td、電流建立時 間twt及AD轉(zhuǎn)換器的最小采樣保持時間t確定的，具體計算方法為：
[0016]
【主權(quán)項】
1. 一種交流伺服電機(jī)系統(tǒng)，包括三相全橋逆變控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和永磁同步電機(jī)，所述永 磁同步電機(jī)與所述三相全橋逆變控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交流輸出端連接，其特征在于，所述三相 全橋逆變控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括三相橋式逆變電路、直流電源和電流傳感器，所述直流電源與 所述三相橋式逆變電路的直流側(cè)并聯(lián)，所述三相橋式逆變電路包括A相、B相和C相，所述 電流傳感器用于檢測流經(jīng)所述B相上橋臂和所述C相上橋臂的電流和、以及檢測流經(jīng)所述 C相下橋臂的電流值；或檢測流經(jīng)所述C相上橋臂的電流值、以及檢測流經(jīng)所述B相下橋臂 和所述C相下橋臂的電流和。
2. 如權(quán)利要求1所述的交流伺服電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述電流傳感器的一端連接 在所述A相上橋臂和所述B相上橋臂的連接線上，以檢測流經(jīng)所述B相上橋臂和所述C相 上橋臂的電流和，所述電流傳感器的另一端連接在所述B相下橋臂和所述C相下橋臂的連 接線上，以檢測流經(jīng)所述C相下橋臂的電流值。
3. 如權(quán)利要求1所述的交流伺服電機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述電流傳感器的一端連接 在所述B相上橋臂和所述C相上橋臂的連接線上，以檢測流經(jīng)所述C相上橋臂的電流值，所 述電流傳感器的另一端連接在所述A相下橋臂和所述B相下橋臂的連接線上，以檢測流經(jīng) 所述B相下橋臂和所述C相下橋臂的電流和。
4. 一種基于權(quán)利要求2或3中所述的交流伺服電機(jī)系統(tǒng)的繞組三相電流的重構(gòu)方法， 其特征在于，包括以下步驟： S10、采用電壓空間矢量實現(xiàn)矢量控制方式，通過給定的兩相正交坐標(biāo)系下的電壓Ua、 Up經(jīng)Clarke逆變換得到三相對稱繞組電壓U a、Ub、U。； S20、計算三相對稱繞組電壓的輸出電壓矢量中兩個電壓矢量的幅值之和，若不超過閾 值一，則執(zhí)行步驟S30 ;若兩個電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則執(zhí)行步驟S40 ; S30、在每個開關(guān)周期內(nèi)的兩個零矢量的作用時段，分別通過AD轉(zhuǎn)換 器采樣電流傳感器的輸出值，從而得到三相繞組的電流值； S40、若兩個電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則根據(jù)當(dāng)前電壓矢量的位置選擇采樣方 式，若開關(guān)周期內(nèi)的兩個電壓矢量的幅值都大于閾值二，則執(zhí)行步驟S50 ;若線性調(diào)制區(qū)域 內(nèi)出現(xiàn)輸出電壓矢量中，兩個電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則根據(jù)當(dāng)前電壓矢量的位 置選擇采樣方式，若開關(guān)周期內(nèi)的兩個電壓矢量的幅值任何一個小于閾值二，則執(zhí)行步驟 S60 ； S50、在直流母線側(cè)安裝另一個單電流傳感器，在兩個電壓矢量作用時段，分別通過AD 轉(zhuǎn)換器采樣母線上電流傳感器的輸出值，并根據(jù)電壓矢量所處的扇區(qū)位置，確定兩次采樣 對應(yīng)的電流值，從而得到三相繞組的電流值； S60、采用滑模電流觀測器加反饋校正的方式獲得三相繞組電流。
5. 如權(quán)利要求4所述的繞組三相電流的重構(gòu)方法，其特征在于，在所述步驟S20中，閾 值一是由功率器件的通斷延遲時間td、電流建立時間t srt及AD轉(zhuǎn)換器的最小采樣保持時間 ts&h確定的，具體計算方法為：
其中Uthdl為電壓矢量閾值一，U _為基本電壓矢量的最大幅值。
6. 如權(quán)利要求4所述的繞組三相電流的重構(gòu)方法，其特征在于，在所述步驟S40中，閾 值二是由功率器件的通斷延遲時間td、電流建立時間t srt及AD轉(zhuǎn)換器的最小采樣保持時間 ts&h確定的，具體計算方法為：
其中Uthd2為電壓矢量閾值二，U _為基本電壓矢量的最大幅值。
7. 如權(quán)利要求4所述的繞組三相電流的重構(gòu)方法，其特征在于，在所述步驟S60中，還 包括以下步驟： 5601、 根據(jù)交流電機(jī)的電壓平衡方程：
建立開環(huán)的電流觀測器：
其中ua、ub、u。為三相電壓，i a、ib、i。為三相電流，e a、eb、e。為相反電勢，R為電機(jī)繞組 電阻，L為繞組電感； 5602、 若已知電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置及角速度，便可由下式計算得到三相反電勢：
其中ea、eb、e。為相反電勢，為反電勢系數(shù)，ω ^為轉(zhuǎn)子角速度，Θ為轉(zhuǎn)子位置角； 5603、 在開環(huán)觀測器的基礎(chǔ)上建立閉環(huán)滑模電流感測器：
5604、 通過采樣獲得一相繞組的電流，此時按下式的估算方式獲得電流誤差值，以A相 電流為例：
其中Z為滑模開關(guān)控制量，k為控制增益，ia、ib、i。為實際三相電流，ia、i b、ij為觀 測得到的三相電流。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種交流伺服電機(jī)系統(tǒng)及其繞組三相電流的重構(gòu)方法，該交流伺服電機(jī)系統(tǒng)包括三相全橋逆變控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和永磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)與三相全橋逆變控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交流輸出端連接，其中，三相全橋逆變控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括三相橋式逆變電路、直流電源和電流傳感器，直流電源與三相橋式逆變電路的直流側(cè)并聯(lián)，三相橋式逆變電路包括A相、B相和C相，電流傳感器用于檢測流經(jīng)B相上橋臂和C相上橋臂的電流和、以及檢測流經(jīng)C相下橋臂的電流值；或檢測流經(jīng)C相上橋臂的電流值、以及檢測流經(jīng)B相下橋臂和C相下橋臂的電流和。本發(fā)明能夠減少電流傳感器的使用數(shù)量，減小系統(tǒng)體積，降低成本，提高驅(qū)動控制系統(tǒng)的可靠性。
【IPC分類】H02P21-14, H02P21-13
【公開號】CN104836502
【申請?zhí)枴緾N201510237177
【發(fā)明人】李云輝, 王曉東, 李丙玉
【申請人】中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月12日