一種交流伺服弱磁調(diào)速的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種交流伺服弱磁調(diào)速的方法，該方法首先測(cè)出各電機(jī)溫度對(duì)應(yīng)的磁鏈，然后在基速下測(cè)出不同轉(zhuǎn)矩時(shí)對(duì)應(yīng)的直軸電感和交軸電感，接著根據(jù)牛頓迭代法求解電壓極限方程和轉(zhuǎn)矩方程，得出定子直軸電流和交軸電流的給定值，制成不同溫度、不同轉(zhuǎn)矩、不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速表。根據(jù)電機(jī)溫度選擇相應(yīng)溫度段的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速表，再根據(jù)轉(zhuǎn)矩參考值和實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速確定電機(jī)的交、直軸電流給定值。該方法根據(jù)實(shí)際工況要求同時(shí)得出交、直軸電流參考值，提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能。同時(shí)，由于不同轉(zhuǎn)矩-速度表的制定考慮了直交軸電感隨轉(zhuǎn)矩的變化以及磁鏈隨電機(jī)內(nèi)部溫度的變化，避免了電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化而導(dǎo)致參數(shù)漂移的影響，提高了系統(tǒng)的控制精度。
【專利說明】一種交流伺服弱磁調(diào)速的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種交流伺服弱磁調(diào)速的方法，尤其涉及考慮電機(jī)參數(shù)隨電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)而改變對(duì)交流伺服進(jìn)行弱磁調(diào)速，屬于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于送料、機(jī)器人及注塑等行業(yè)，這些應(yīng)用場(chǎng)合要求伺服系統(tǒng)既能在基速以下輸出恒定轉(zhuǎn)矩，又能在基速以上進(jìn)行恒功率升速。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，電機(jī)反電勢(shì)會(huì)增大，將會(huì)導(dǎo)致定子端電壓大于母線電壓，從而引起電流調(diào)節(jié)器的飽和，為了獲得較寬的調(diào)速范圍，伺服系統(tǒng)通常采用弱磁控制技術(shù)。
[0003]上述應(yīng)用場(chǎng)合，一般采用適用于弱磁具有凸極效應(yīng)的電機(jī)，以及相應(yīng)的弱磁控制方法。傳統(tǒng)的弱磁控制方法，需推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速與直軸電流的關(guān)系式，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化來調(diào)整交軸電流，然后根據(jù)公式求出當(dāng)前直軸電流id，并未考慮電機(jī)參數(shù)如交軸電感Ld、直軸電感Lq以及磁鏈Vf隨著電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化而出現(xiàn)漂移的問題。因此，系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度上都達(dá)不到滿意的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明公開了一種交流伺服弱磁調(diào)速的方法，該方法考慮了電機(jī)參數(shù)隨電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化而改變的問題，提高了弱磁控制的響應(yīng)性能和控制精度。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0006]一種交流伺服弱磁調(diào)速的方法，包括以下步驟:
[0007]第一步:測(cè)得電機(jī)內(nèi)部溫度不同時(shí)對(duì)應(yīng)的磁鏈，得到溫度-磁鏈表；
[0008]第二步:測(cè)試電機(jī)處于不同轉(zhuǎn)矩時(shí)對(duì)應(yīng)的直軸電感和交軸電感，獲取轉(zhuǎn)矩-直交軸電感表，測(cè)試方法為:使電機(jī)速度處于基速，測(cè)試轉(zhuǎn)矩在零到最大值這一區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的直軸電感和交軸電感；
[0009]第三步:給定電機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，其中轉(zhuǎn)速應(yīng)大于基速，通過查找溫度-磁鏈表得到磁鏈，通過查找轉(zhuǎn)矩-直交軸電感表得到直軸電感和交軸電感，將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、磁鏈、直軸電感和交軸電感的值代入電壓極限方程(Ldid+VfV+O^i,)2≤(Usmax/?,)2和轉(zhuǎn)矩方程Te = Pn[ Vfiq+(Ld-Lq) idiq]內(nèi)，其中，Usmax為逆變器輸出最大電壓幅值，Wr為轉(zhuǎn)速，Te為轉(zhuǎn)矩，￥f為磁鏈，Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)，Ld、Lq為直、交軸電感，id、iq為直、交軸電流；根據(jù)牛頓迭代法求解電壓極限方程和轉(zhuǎn)矩方程，得出定子直軸電流和交軸電流的給定值；
[0010]第四步:重復(fù)步驟三，求解出電機(jī)溫度范圍內(nèi)每個(gè)溫度值、轉(zhuǎn)速在基速到最大轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的每個(gè)轉(zhuǎn)速值以及轉(zhuǎn)矩在零到最大轉(zhuǎn)矩區(qū)間內(nèi)的每個(gè)轉(zhuǎn)矩值對(duì)應(yīng)的定子直軸電流和交軸電流的給定值，得到不同溫度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表；
[0011]第五步:獲取電機(jī)反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，依照設(shè)定原則根據(jù)當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速判斷是否需要進(jìn)行弱磁控制，如果需要進(jìn)行弱磁控制，則通過轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表確定定子直軸電流和交軸電流的給定值，使用該直軸電流和交軸電流的給定值對(duì)電機(jī)進(jìn)行弱磁控制。[0012]本發(fā)明方法根據(jù)運(yùn)行時(shí)的電機(jī)內(nèi)部溫度選擇相應(yīng)溫度段的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表，再根據(jù)轉(zhuǎn)矩參考值和實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)查表得出電機(jī)的交、直軸電流給定值。由于該方法可以根據(jù)實(shí)際工況要求同時(shí)得出交、直軸電流參考值，因此可以有效地提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能。同時(shí)，由于不同轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表的制定考慮了直交軸電感隨轉(zhuǎn)矩的變化以及磁鏈隨電機(jī)內(nèi)部溫度的變化，避免了電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化而導(dǎo)致參數(shù)漂移的影響，提高了系統(tǒng)的控制精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是凸極式電機(jī)電壓極限橢圓和電流極限圓示意圖。
[0014]圖2是凸極式電機(jī)弱磁運(yùn)行軌跡。
[0015]圖3是使用本發(fā)明方法進(jìn)行弱磁控制的系統(tǒng)框圖。
[0016]圖4是定子電流矢量軌跡。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018]由于電機(jī)和逆變器的電壓、電流都有一定的限制，因此電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其端電壓和定子電流不能超出極限值us_、isniax，電壓和電流極限方程分別為式⑴和式⑵所示:
[0019](Ldid+ ￥f)2+ (Lqiq)2 ^ (usmax/ co r)2 (I)
[0020]祖(2)
[0021]其中，為轉(zhuǎn)速，~為`磁鏈，Ld、Lq為直、交軸電感，id、iq為直、交軸電流，ismax、Usniax為電機(jī)最大電流幅值與逆變器輸出最大電壓幅值。
[0022]從式(I)可以看出，對(duì)于每一個(gè)轉(zhuǎn)速都對(duì)應(yīng)著直交軸電流dq坐標(biāo)系下的一個(gè)電壓極限橢圓(中心為-Vf/Ld，0)，且橢圓的兩軸長(zhǎng)度隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速、的增大而逐漸減小，因此電壓極限橢圓是一簇橢圓曲線。式(2)對(duì)應(yīng)的軌跡是dq坐標(biāo)系下以原點(diǎn)為圓心的圓，稱為電流極限圓，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定子電流也必須落在電流極限圓軌跡之內(nèi)。
[0023]永磁同步電機(jī)每個(gè)運(yùn)行狀態(tài)都有一個(gè)定子電流矢量與其對(duì)應(yīng)，該電流矢量同時(shí)受電壓極限方程和電流極限方程的限制，在id、i,坐標(biāo)平面內(nèi)該矢量只能處于電壓極限軌跡和電流極限軌跡的交集內(nèi)。從上述分析可知，電機(jī)弱磁穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定子直交軸電流id、iq必須同時(shí)滿足電壓極限方程(式I)、電流極限方程(式2)以及轉(zhuǎn)矩方程(式3)，對(duì)于某一確定轉(zhuǎn)速《,，定子電流矢量必落在圖1中AB⑶EF所包圍區(qū)域的轉(zhuǎn)矩曲線上。
[0024]Te = Pn[ Vfiq+(VLq) idiq] (3)
[0025]其中，Te為轉(zhuǎn)矩，Vf為磁鏈，PnS電機(jī)極對(duì)數(shù)，Ld、Lq為直、交軸電感，id、iq為直、交軸電流。
[0026]圖2中，對(duì)于某一確定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線與電壓極限橢圓及電流極限圓各有一個(gè)交點(diǎn)M、N，那么定子直交軸電流id、iq電流矢量落在圖2所示麗曲線上均符合控制要求?？紤]到直軸電流會(huì)產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)，從而使永磁體退磁，實(shí)際中選取定子電流d軸分量最小的M點(diǎn)，即電壓極限橢圓與轉(zhuǎn)矩曲線的交點(diǎn)，因此可通過求解電壓極限橢圓方程和轉(zhuǎn)矩方程獲取定子直交軸電流的給定值。
[0027]要求解電壓極限橢圓方程(I)和轉(zhuǎn)矩方程(3)，需要首先給定對(duì)應(yīng)的電機(jī)參數(shù)，SP轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩Te、磁鏈Vf以及直、交軸電感Ld、Lq。隨著溫度的變化，永磁體磁鋼工作點(diǎn)發(fā)生變化，磁鏈Vf隨著溫度的升高變小。首先，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得不同溫度下對(duì)應(yīng)的磁鏈￥f，得出溫度-磁鏈表。因?yàn)樵谀骋粶囟榷蝺?nèi)，磁鏈Vf的變化可能很小，所以可以根據(jù)實(shí)際情況把溫度分為常溫、中溫和高溫三個(gè)溫度段，分別測(cè)試在不同溫度段下的磁鏈Wf。直、交軸電感Ld、Lq的值幾乎不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化,但隨轉(zhuǎn)矩的增大而減小,故在電子運(yùn)行在基速的情況下，測(cè)試轉(zhuǎn)矩Te在零到轉(zhuǎn)矩最大值區(qū)間內(nèi)每個(gè)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的直、交軸電感Ld、L,。因?yàn)檗D(zhuǎn)矩在某一范圍內(nèi)變化時(shí)，相應(yīng)的直、交軸電感Ld、Lq可能幾乎不變，所以根據(jù)實(shí)際情況把轉(zhuǎn)矩Te分成多個(gè)區(qū)間，測(cè)試得出各個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)的直、交軸電感Ld、Lq，得出轉(zhuǎn)矩-直、交軸電感表。
[0028]得出溫度-磁鏈表和轉(zhuǎn)矩-直、交軸電感表之后，需要計(jì)算不同溫度、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的定子直軸電流和交軸電流的給定值。首先，選取某一溫度區(qū)間，通過查找溫度-磁鏈表找到對(duì)應(yīng)的磁鏈Vf，將磁鏈Vf的值代入上述電壓極限橢圓方程(I)和轉(zhuǎn)矩方程(3);然后，設(shè)定轉(zhuǎn)速(為了應(yīng)用弱磁控制，所設(shè)定的轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)在基速和轉(zhuǎn)速最大值范圍內(nèi))和轉(zhuǎn)矩!；，確定轉(zhuǎn)矩所屬的區(qū)間，通過查找轉(zhuǎn)矩-直、交軸電感表找到此轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的直、交軸電感Ld、Lq，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩Te和直、交軸電感Ld、Lq的值代入電壓極限橢圓方程(I)和轉(zhuǎn)矩方程(3);最后，采用牛頓迭代法，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速求解定子直交軸電流給定值。這樣可以作成不同溫度下(可大致分為常溫、中溫和高溫三個(gè)溫度段)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表。
[0029]根據(jù)電機(jī)反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速判斷是否需要進(jìn)行弱磁控制的判斷原則可結(jié)合圖4進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0030]在圖4中，各點(diǎn)的含義如下:
[0031]0點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；
[0032]G點(diǎn)是電流極限圓與q軸的交點(diǎn)，這樣G點(diǎn)坐標(biāo)即為(0，is_)，這樣經(jīng)過G的電壓極限橢圓對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即可根據(jù)id=0，iq=iSfflax代入電壓極限方程(公式⑴)解出；
[0033]H點(diǎn)是與q軸相切的電壓極限橢圓與電流極限圓的交點(diǎn)，與q軸相切的電壓極限橢圓經(jīng)過原點(diǎn)0，這樣經(jīng)過H點(diǎn)的電壓極限橢圓對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速COh即可根據(jù)id=0，iq=0代入電壓極限方程(公式(I))解出；
[0034]P點(diǎn)是與電流極限圓相切的電壓極限橢圓與電流極限圓點(diǎn)的交點(diǎn)，P點(diǎn)坐標(biāo)即為(-1s_，0)，這樣經(jīng)過P點(diǎn)的電壓極限橢圓對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速Cop即可根據(jù)id=_is_，iq=0代入電壓極限方程(式I)解出；
[0035]Q點(diǎn)為電壓極限橢圓的中心點(diǎn)，Q點(diǎn)坐標(biāo)為(_ Vf/Ld，0)。
[0036]設(shè)定給定轉(zhuǎn)速為《%將全速段分為四個(gè)區(qū)間:
[0037]區(qū)間I ( ?*≤coG):此區(qū)間電機(jī)轉(zhuǎn)速低于基速，為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，采用id=0的控制策略。
[0038]區(qū)間2 ( % < < ?H):電機(jī)運(yùn)行于此區(qū)間時(shí)，相應(yīng)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電壓極限橢圓與q軸都存在交點(diǎn)，因此可采用id=0控制或進(jìn)行弱磁控制，選擇控制方式依據(jù)如下:電壓極限
方程(即式⑴)中令 id=0，cor= co*，解得
【權(quán)利要求】
1.一種交流伺服弱磁調(diào)速的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)測(cè)得電機(jī)內(nèi)部溫度不同時(shí)對(duì)應(yīng)的磁鏈，得到溫度-磁鏈表； (2)測(cè)試電機(jī)處于不同轉(zhuǎn)矩時(shí)對(duì)應(yīng)的直軸電感和交軸電感,獲取轉(zhuǎn)矩-直交軸電感表，測(cè)試方法為:使電機(jī)速度處于基速，測(cè)試轉(zhuǎn)矩在零到最大值這一區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的直軸電感和交軸電感； (3)給定電機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,其中轉(zhuǎn)速應(yīng)大于基速，通過溫度-磁鏈表確定磁鏈，通過轉(zhuǎn)矩-直交軸電感表確定直軸電感和交軸電感，將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、磁鏈、直軸電感和交軸電感的值代入電壓極限方程(Ldid+VfV+O^i)2≤(Usmax/')2和轉(zhuǎn)矩方程Te =Pn[ Vfiq+(Ld-Lq) idiq]內(nèi)，其中，UsmaxS逆變器輸出最大電壓幅值，為轉(zhuǎn)速，Te為轉(zhuǎn)矩，￥f為磁鏈，Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)，Ld、Lq為直、交軸電感，id、iq為直、交軸電流；根據(jù)牛頓迭代法求解電壓極限方程和轉(zhuǎn)矩方程，得出定子直軸電流和交軸電流的給定值； (4)重復(fù)步驟(3)，求解出電機(jī)溫度范圍內(nèi)每個(gè)溫度值、轉(zhuǎn)速在基速到最大轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的每個(gè)轉(zhuǎn)速值以及轉(zhuǎn)矩在零到最大轉(zhuǎn)矩區(qū)間內(nèi)的每個(gè)轉(zhuǎn)矩值對(duì)應(yīng)的定子直軸電流和交軸電流的給定值，得到不同溫度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表； (5)獲取電機(jī)反饋的實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，依照設(shè)定原則根據(jù)當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速判斷是否需要進(jìn)行弱磁控制，如果 需要進(jìn)行弱磁控制，則通過轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表確定定子直軸電流和交軸電流的給定值，使用該直軸電流和交軸電流的給定值對(duì)電機(jī)進(jìn)行弱磁控制。
【文檔編號(hào)】H02P25/02GK103762922SQ201410037067
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】孫園園, 齊丹丹, 徐正華, 吳波 申請(qǐng)人:南京埃斯頓自動(dòng)化股份有限公司, 南京埃斯頓自動(dòng)控制技術(shù)有限公司