一種基于轉矩控制的伺服電機控制系統和方法
【專利摘要】本發明實施例公開了一種基于轉矩控制的伺服電機控制系統和方法，其中轉矩控制作為永磁同步電機的主要控制方法，不但實現磁鏈模值，還要實現電磁轉矩的跟蹤控制，通過選擇合適的定子電壓矢量，讓定子磁鏈的運動軌跡為圓形。永磁同步電機直接轉矩控制結構對傳統的SVPWM技術進行改進，使用空間電壓矢量脈寬調制技術對逆變器進行控制，使判斷環節與作用時間求解環節運算量減小，提高伺服電機控制效率，從而達到提高生產商經濟效益、節能減排的目的。
【專利說明】
-種基于轉矩控制的伺服電機控制系統和方法
技術領域
[0001] 本發明設及電機控制技術領域，尤其設及一種基于轉矩控制的伺服電機控制系統 和方法。
【背景技術】
[0002] 永磁材料的被大家廣泛認知，稀±永磁材料因其較高的剩磁密度、矯頑力和高磁 能積而被利用到同步電機的設計中。永磁同步電機本身不存在勵磁裝置，運使得它的安全 性、穩定性和功率密度的到提高。同時，永磁同步電機在調速系統中具有很大的調速范圍和 較高的功率因數。基于W上優點，永磁同步電機可W很好的滿足伺服驅動控制系統的需求， 提高電機運行性能和技術能力水平。
[0003] 近年來伺服控制器的研究和開發已經成為電類行業的一個主題，而發展目標是使 該控制器具有較強適應能力。隨著電機制造與控制技術的蓬勃發展，W及大規模集成電路、 半導體功率器件和微處理器技術的成熟，交流伺服控制系統的應用受到了廣泛認可。
[0004] 現有技術中，伺服控制系統一般有=種控制方法，包括速度控制方式、轉矩控制方 式和位置控制方式，轉矩控制方式中，控制器加載SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空間矢量脈寬調制）算法，而傳統的SVPWM算法是基于電壓矢量的正交分量實 現的，電壓矢量所在的扇區、作用時間的求解均需要對正交分量進行復雜的運算得到，計算 復雜，運行時間長，降低控制系統運行效率。

【發明內容】

[0005] 本發明的實施例提供一種基于轉矩控制的伺服電機控制系統及方法，能夠縮短運 算時間，并提高伺服電機控制效率。
[0006] 為達到上述目的，本發明的實施例采用如下技術方案：
[0007] 第一方面，本發明的實施例提供一種基于轉矩控制的伺服電機控制系統，包括逆 變器，所述逆變器連接DSP(Digital Si即al Processing,數字信號處理）忍片和PI (Proportional-Integral，比例積分）調節器，所述PI調節器還連接DSP忍片，所述DSP忍片 連接IGBTQnsulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管）模塊，所述IGBT模 塊與電機相連。
[000引第二方面，本發明的實施例提供一種基于轉矩控制的伺服電機控制方法，所述方 法包括：
[0009] 101、所述DSP忍片檢測所述逆變器輸出的S相電流和直流側電壓，其中所述逆變 器連接所述DSP忍片，在逆變器的輸出端加電流傳感器檢測S相電流，在輸入端加電壓傳感 器檢測直流側電壓；
[0010] 102、根據所述S相電流和所述直流側電壓，經所述DSP忍片加載的坐標變換和系 統控制規律，計算出電機的電磁轉矩、定子磁鏈和定子磁鏈的相位角0 ;
[0011] 103、所述PI調節器預測磁鏈相位角增量A 0，補償轉矩觀測值T與速度調節器輸出 的轉矩參考值T*直接的轉矩誤差A T，其中，所述PI調節器分別連接所述逆變器和所述DSP 忍片；
[0012] 104、所述DSP忍片根據所述磁鏈相位角增量A 0計算定子磁鏈的參考矢量!探!，與 定子磁鏈觀測值恥比較后得到定子磁鏈的矢量誤差A托；
[0013] 105、所述DSP忍片根據所述定子磁鏈的矢量誤差A恥經過電壓空間矢量計算模型 獲取相應的補償電壓分量S綜和冷；
[0014] 106、所述DSP忍片上加載SVP麗算法，根據所述電壓分量錦和，續計算控制信號，并 將所述控制信號傳輸至控制模塊，其中，所述控制模塊集成在逆變器上，所述控制信號用于 控制電機轉速。
[001引進一步的，所述SVPWM算法，通過所述補償電壓分量絲和4可確定逆變器輸出電 壓URET所在的扇區，再根據立相定子電壓之間的差值求解作用時間，其中，立相定子電壓通 過逆變器上設置的電壓傳感器檢測得出。
[0016] 1061、其中，a-0坐標系分為6個扇區,URET與a軸成目：
[001 7] 矢量URET所在的扇區由 < 和喝:決定，具體關系如下表：
[001 引
中 A、B、C、P均為數學推導中提取出的公因式，無實際意義，P與對應扇區的關系如下表： 「nwnl
[00別]即可得到郵ET所在扇區。
[0022] 1062、X = -V3Ts/2Udc*(B)，Y = -V3Ts/2Udc*(C)
庚中，Ts 為 周期，Udc為直流側電壓值，X、Y、Z均為數學推導中的公因式，無實際意義。
[002；3] Tn、Tn+功URET對應兩個IGBT開關組合的作用時間，扇區和Tn、Tn+i的關系如下表： r〇o?4i

處于模式I時的電壓，Tl, T2是開關模式I的作用時間。
[0027]由上式可得：
[00%] 同理，其他各扇區相鄰兩個矢量的作用時同可用此方法算出。
[0029] 進一步的，所述控制模塊采用IGBT模塊實現功能，并通過IGBT模塊控制電機的轉 速。IGBT模塊中包含Vl~V6六個IGBT器件，IGBT是一類高電壓可控器件，在電路中非通即 斷，IGBT器件兩個一組串聯，共S組，S組IGBT器件再并聯，同一組中的IGBT器件只有一個 開通，故六個IGBT器件共有8個工作狀態，若W1表示開通，0表示關斷，則8個工作狀態可表 示為000,001，010,011，100,101，110,111。其中000與111為兩個零矢量，其他六個為非零矢 量，且每個非零矢量的模值為2/抓dc，其中Udc為直流側電壓。IGBT器件在DSP忍片的控制下 輪流通斷，在DSP忍片的S個輸出端，通過000,001，010,011，100,101，110,111信號來控制 IGBT通斷，從而控制電機轉速。
[0030] 永磁同步電機直接轉矩控制結構對傳統的SVPWM算法技術進行改進，使用空間電 壓矢量脈寬調制技術對逆變器進行控制，使判斷環節與作用時間求解環節運算量減小。
[0031] 傳統的SVPWM算法基于電壓矢量的正交分量，運算復雜，本發明中，SVPWM算法區別 于傳統算法，依據電壓矢量的角度值判斷扇區，依據=相定子電壓之間的差值求解作用時 間，比起傳統的SVPWM算法控制，更加簡便，易懂
[0032] 本發明實施例提供的伺服電機控制方法，主要用于伺服電機控制系統，尤其是作 為機電一體化技術的重要組成部分而應用于工廠自動化設備中。
[0033] 其中轉矩控制作為永磁同步電機的主要控制方法，不但實現磁鏈模值，還要實現 電磁轉矩的跟蹤控制，通過選擇合適的定子電壓矢量，讓定子磁鏈的運動軌跡為圓形。提高 現有伺服系統的控制效率，從而達到提高生產，產生經濟效益、節能減排的目的。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發明實施例提供的基于轉矩控制的伺服控制系統的結構示意圖；
[0035] 圖2為本發明實施例提供的基于轉矩控制的伺服控制方法的流程圖；
[0036] 圖3為本發明實施例提供的基于轉矩控制的伺服控制系統及方法結合的示意圖；
[0037] 圖4為電壓空間矢量分布示意圖；
[0038] 圖5為向量分解圖；
[0039] 圖6為IGBT模塊示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 本發明的實施例提供一種基于轉矩控制的伺服電機控制系統，如圖1所示，包括逆 變器，所述逆變器連接DSP忍片和PI調節器，所述PI調節器還連接DSP忍片，所述DSP忍片連 接IGBT模塊，所述IGBT模塊與電機相連。
[0041] 本發明的實施例還提供一種基于轉矩控制的伺服電機控制方法，所述方法流程圖 如圖2所示，包括：
[0042] 101、所述DSP忍片檢測所述逆變器輸出的S相電流和直流側電壓，其中所述逆變 器連接所述DSP忍片，在逆變器的輸出端加電流傳感器檢測S相電流，在輸入端加電壓傳感 器檢測直流側電壓；
[0043] 102、根據所述S相電流和所述直流側電壓，經所述DSP忍片加載的坐標變換和系 統控制規律，計算出電機的電磁轉矩、定子磁鏈和定子磁鏈的相位角0 ;
[0044] 103、所述PI調節器預測磁鏈相位角增量A 0，補償轉矩觀測值T與速度調節器輸出 的轉矩參考值T*直接的轉矩誤差A T，其中，所述PI調節器分別連接所述逆變器和所述DSP 忍片；
[0045] 104、所述DSP忍片根據所述磁鏈相位角增量A 0計算定子磁鏈的參考矢量蛾1,與 定子磁鏈觀測值恥比較后得到定子磁鏈的矢量誤差A托；
[0046] 105、所述DSP忍片根據所述定子磁鏈的矢量誤差A恥經過電壓空間矢量計算模型 獲取相應的補償電壓分量S爲和所述電壓空間矢量分布如圖4所示；
[0047] 106、所述DSP忍片上加載SVPWM算法，根據所述電壓分量堿和雌計算控制信號，并 將所述控制信號傳輸至控制模塊，其中，所述控制模塊集成在逆變器上，所述控制信號用于 控制電機轉速。
[004引進一步的，所述SVPWM算法，通過所述補償電壓分量S爲牙聽譯可確定逆變器輸出電壓 URET所在的扇區，再根據立相定子電壓之間的差值求解作用時間，其中，立相定子電壓通過 逆變器上設置的電壓傳感器檢測得出。
[0049] 1061、其中，a-0坐標系分為6個扇區,URET與a軸成白
如圖5所示。
[0050] 矢量URET所在的扇區由嫁和Sf決定，具體關系如下表：
[0化1 ]
[0(
軒 A、B、C、P均為數學推導中提取出的公因式，無實際意義，P與對應扇區的關系如下表： 「nncoI
[0054] ~即可#到郵ET所在扇區。 '
' ' ' '
[0055] 1062、X = -V3Ts/2Udc*(B)，Y = -V3Ts/2Udc*(C)
，其中，Ts 為 周期，Udc為直流側電壓值，X、Y、Z均為數學推導中的公因式，無實際意義。
[00?] Tn、Tn+功URET對應兩個IGBT開關組合的作用時間，扇區和Tn、Tn+i的關系如下表：
[005引 W第I扇區為例，根據下表可得：
[0059]
其中V1，V2是開關 處于模式1時的電壓，Tl, T2是開關模式1的作用時間。
[0060] 由上式可得
[0061] 同理，其他各扇區相鄰兩個矢量的作用時間可用此方法算出。
[0062] 進一步的，所述控制模塊采用IGBT模塊實現功能，IGBT模塊如圖6所示，并通過 IGBT模塊控制電機的轉速。IGBT模塊中包含Vl~V6六個IGBT器件，IGBT是一類高電壓可控 器件，在電路中非通即斷，IGBT器件兩個一組串聯，共S組，S組IGBT器件再并聯，同一組中 的IGBT器件只有一個開通，故六個IGBT器件共有8個工作狀態，若W1表示開通，0表示關斷， 貝化個工作狀態可表示為000，〇〇1，〇1〇，〇11，100,101，110,111。其中000與111為兩個零矢 量，其他六個為非零矢量，且每個非零矢量的模值為2/3Udc，其中Udc為直流側電壓。IGBT器 件在DSP忍片的控制下輪流通斷，在DSP忍片的S個輸出端，通過000,001，010,011，100， 101，110，111信號來控制IGBT通斷，從而控制電機轉速。
【主權項】
1. 一種基于轉矩控制的伺服電機控制系統，其特征在于，包括逆變器，所述逆變器連接 DSP忍片和PI調節器，所述PI調節器還連接DSP忍片，所述DSP忍片連接IGBT模塊，所述IGBT 模塊與電機相連。2. -種基于轉矩控制的伺服電機控制方法，其特征在于，所述方法包括： 所述DSP忍片檢測所述逆變器輸出的Ξ相電流和直流側電壓，其中所述逆變器連接所 述DSP忍片； 根據所述Ξ相電流和所述直流側電壓，經所述DSP忍片加載的坐標變換和系統控制規 律，計算出電機的電磁轉矩、定子磁鏈和定子磁鏈的相位角Θ ; 所述PI調節器預測磁鏈相位角增量A Θ，補償轉矩觀測值T與速度調節器輸出的轉矩參 考值T*直接的轉矩誤差Δ T，其中，所述PI調節器分別連接所述逆變器和所述DSP忍片； 所述DSP忍片根據所述磁鏈相位角增量Δ Θ計算定子磁鏈的參考矢量悚^與定子磁鏈觀 測值恥比較后得到定子磁鏈的矢量誤差A托； 所述DSP忍片根據所述定子磁鏈的矢量誤差Δ恥經過電壓空間矢量計算模型獲取相應 的補償電壓分量絲和 所述DSP忍片上加載SVP歷算法，根據所述電壓分量·端和喝計算控制信號，并將所述控 制信號傳輸至控制模塊，其中，所述控制模塊集成在逆變器上，所述控制信號用于控制電機 轉速。3. 根據權利要求2所述的一種基于轉矩控制的伺服電機控制方法，其特征在于，所述 SVP歷算法，通過所述補償電壓分量磯和S續可確定逆變器輸出電壓URET所在的扇區，再根據 Ξ相定子電壓之間的差值求解作用時間。4. 根據權利要求2所述的一種基于轉矩控制的伺服電機控制方法，其特征在于，所述控 制模塊采用IGBT模塊實現功能，并通過IGBT模塊控制電機的轉速。
【文檔編號】H02P21/28GK105846744SQ201610388602
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月2日
【發明人】陳雙鋒, 駱皓, 唐星陽, 黃燦
【申請人】南京工程學院