一種永磁同步電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種永磁同步電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)控制方法，特別是一種太陽帆板驅(qū)動(dòng)裝置 采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行微步驅(qū)動(dòng)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了滿足航天器在軌工作的能源需求，大多數(shù)航天器都采用帆板式太陽電池陣， 為了太陽電池的利用率盡可能高，通常采用太陽帆板驅(qū)動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)太陽帆板實(shí)現(xiàn)對(duì)日定 向。太陽帆板驅(qū)動(dòng)裝置采用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制方案，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與撓性負(fù)載之 間不設(shè)減速裝置，負(fù)載的任何特性和擾動(dòng)都將毫無保留的傳遞至驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸。通常 情況下，太陽帆板的慣量一般都非常大，且具有弱阻尼、大撓性等特點(diǎn)，使得帆板驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn) 高性能閉環(huán)控制已非常困難，容易使得控制變得不穩(wěn)定。
[0003] 《永磁同步電機(jī)多開關(guān)HALL的微步進(jìn)標(biāo)定方法及其矢量控制系統(tǒng)》（微電機(jī)， 2009,第42卷，第10期）針對(duì)一種使用大減速比減速器的衛(wèi)星天線指向機(jī)構(gòu)采用永磁同步 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案提出了采用步進(jìn)控制的開關(guān)HALL輸出信號(hào)與電機(jī)磁極位置標(biāo)定的方法，應(yīng) 用SVPffM輸出方式輸出特定轉(zhuǎn)角的電壓矢量，實(shí)現(xiàn)360度電角度的65536劃分，本質(zhì)上也還 是一種VVVF的開環(huán)控制方案。
[0004] 《基于矩角控制的永磁同步電機(jī)位置控制系統(tǒng)》（電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006,第21卷，第 1期）、《基于矩角控制的PMSM伺服系統(tǒng)仿真和設(shè)計(jì)》（電力電子技術(shù)，2012,第46卷，第8 期）等文獻(xiàn)采用的分析方法雖然都是根據(jù)電機(jī)的矩角特性，來實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的位置控 制，但控制量是直接控制電機(jī)的三相控制電流、直接對(duì)三相電流進(jìn)行離散化控制，因此這種 控制方法與定子電流矢量的矩角控制對(duì)應(yīng)的物理意義并不明顯。
[0005] 專利《基于SVPffM調(diào)制的永磁同步電機(jī)開環(huán)控制方法及系統(tǒng)》對(duì)于每個(gè)給定的定 子電源頻率通過查找定子電壓和定子電源頻率的二維向量表來查找給定的定子電源頻率 對(duì)應(yīng)的定子電壓的幅值，該二維向量表根據(jù)分段式壓頻比曲線預(yù)先設(shè)定，即提供的二維向 量表中的定子電壓和定子電源頻率的比值不是一個(gè)常值，而且在不同的區(qū)間段是不同的， 通過補(bǔ)償V/F曲線直接輸出電壓矢量來實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決了現(xiàn)有的太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)采用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制方案，在面對(duì)負(fù)載慣量大、弱阻尼、大撓性等情況時(shí) 具有控制不穩(wěn)定的缺陷，提出了一種永磁同步電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)控制方法，對(duì)于大慣性負(fù)載具 有很好的定位性能，而且魯棒性強(qiáng)、可靠性高、控制效果好。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種永磁同步電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)控制方法，包括如下步 驟：
[0008] (1)檢測(cè)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，并記為永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置初始值Θ。， 計(jì)算得到轉(zhuǎn)子下一時(shí)刻的位置S raf為
[0010] 其中，Wf3為永磁同步電機(jī)定子電流矢量旋轉(zhuǎn)電角速度，t為永磁同步電機(jī)微步驅(qū) 動(dòng)控制周期；
[0011] ⑵使用兩個(gè)電流傳感器檢測(cè)永磁同步電機(jī)定子的電流值，并記為ia、ib，進(jìn)而得 到永磁同步電機(jī)的定子三相電流i a、ib、i。，對(duì)三相電流ia、ib和i。進(jìn)行3/2坐標(biāo)變換，得到 兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量i α、i e為
[0013] 其中，ic=-ia-ib;
[0014] (3)根據(jù)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子下一時(shí)刻位置Θ 對(duì)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流分量 ia、ip進(jìn)行靜止旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流分量i sd、isq為
[0016] (4)令永磁同步電機(jī)力矩電流給定值〈為4，與isq進(jìn)行比較得到電流差值Δ i sq， 令永磁同步電機(jī)勵(lì)磁電流給定值ζ為零，與iji行比較得到電流差值A(chǔ)isd，其中，C為永 磁同步電機(jī)的額定電流幅值；
[0017] (5)根據(jù)電流差值Δ isd、電流差值Δ isq生成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的參考電壓*4.、 4為
[0019] 其中，kpi為電流環(huán)調(diào)節(jié)比例系數(shù)，k "為電流環(huán)調(diào)節(jié)積分系數(shù)；
[0020] (6)根據(jù)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子下一時(shí)刻位置Θ 、同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的參考電壓C 及《i.計(jì)算得到SVPffM的參考輸入電壓心和《".為
[0022] (7)將心和*4'作為下一周期永磁同步電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)控制的電壓，然后使用SVPffM 計(jì)算得到三相PWM占空比，使用三相逆變器根據(jù)三相PWM占空比產(chǎn)生下一個(gè)周期的驅(qū)動(dòng)電 壓，并使用該驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。
[0023] 所述的電流環(huán)調(diào)節(jié)比例系數(shù)kpi的取值范圍為[3. 5,10]，電流環(huán)調(diào)節(jié)積分系數(shù)k n 的取值范圍為[0.3，0.8]。
[0024] 所述的電流環(huán)調(diào)節(jié)比例系數(shù)kpi的取值為7. 5,電流環(huán)調(diào)節(jié)積分系數(shù)k η的取值為 0·5819。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0026] (1)本發(fā)明方法的永磁同步電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)使用轉(zhuǎn)速開環(huán)控制方法，通過永磁同步 電機(jī)定子電流矢量離散的增量控制，解決了現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)方法在驅(qū)動(dòng)大慣量、弱阻尼、大撓性負(fù) 載時(shí)容易諧振、控制不穩(wěn)定的缺陷，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制魯棒性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；
[0027] (2)本發(fā)明方法是一種直接控制電流的轉(zhuǎn)速開環(huán)驅(qū)動(dòng)方法，具有電流諧波小、力矩 輸出穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)；
[0028] (3)本發(fā)明方法直接對(duì)永磁同步電機(jī)定子電流矢量進(jìn)行控制，將定子電流矢量的 旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行離散化，與現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)控制方法相比，能夠確定電機(jī)轉(zhuǎn)子跟隨定子電流矢量 的定位點(diǎn)，獲得類似步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)控制效果；
[0029] (4)本發(fā)明方法能用于其它永磁同步電機(jī)開環(huán)驅(qū)動(dòng)方案中，并可以應(yīng)用到風(fēng)機(jī)、航 天器天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、水栗、普通機(jī)床等大慣量且無需頻繁調(diào)速控制的應(yīng)用環(huán)境。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明一種永磁同步電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)控制方法流程圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明方法在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)等效模型
[0032] 圖3為本發(fā)明方法中微步驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)軌跡；
[0033] 圖4為本發(fā)明方法永磁同步電機(jī)A相電流曲線；
[0034] 圖5為本發(fā)明方法永磁同步電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)速度波動(dòng)曲線；
[0035] 圖6為本發(fā)明方法在不同轉(zhuǎn)矩電流驅(qū)動(dòng)下太陽翼模擬撓性負(fù)載的速度波形測(cè)試 結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0036] -種永磁同步電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)控制方法，以永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制為基 礎(chǔ)，目標(biāo)是控制永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子隨定子電流矢量的給定位置勻速變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，其實(shí)現(xiàn)原 理是根據(jù)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向原理，當(dāng)在固定位置給定一電流矢量，則永磁同步電 機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的正方向（N極的指向）固定在給定的位置上。
[0037] 本發(fā)明方法采用以下技術(shù)方案：如圖1所示為本發(fā)明一種永磁同步電機(jī)微步驅(qū)動(dòng) 控制方法所需的控制系統(tǒng)包括永磁同步電機(jī)1、位置傳感器或無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè) 模塊2、位置給定計(jì)算模塊3、電流傳感器4、坐標(biāo)變換模塊5、d軸電流環(huán)調(diào)節(jié)模塊6、q軸電 流環(huán)調(diào)節(jié)模塊7、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換模塊8、SVPffM模塊9、三相逆變器10，其中，位置傳感器或 無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)模塊2用于初始定位，也可采用無位置傳感器技術(shù)進(jìn)行永磁同 步電機(jī)的初始定位，SVPffM模塊9為空間矢量脈寬調(diào)制模塊，tjk+l)，t 2(k+l)和t3(k+l)為 SVPffM模塊輸出的三相占空比。
[0038] 在幅值不變?cè)瓌t下，永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq同步坐標(biāo)系）下的數(shù)學(xué) 模型為
[0040] 式中，永磁同步電機(jī)定子繞組磁鏈方程表示為
[0042] 其中：usd, Usq表示永磁同步電機(jī)定子側(cè)的d、q軸電壓，i sd、isq表示定子側(cè)的d、q軸 電流，Rs表示定子側(cè)電樞電阻，ω 1^表示永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角頻率，p為微分算子，L sd、 Lsq表示定子側(cè)的d、q軸電感，Φ sd、itsq表示定子側(cè)的d、q軸磁鏈，Φ彥示永磁同步電機(jī) 轉(zhuǎn)子永磁體在定子繞組中產(chǎn)生的磁鏈，即轉(zhuǎn)子永磁磁鏈，P n表示轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)。
[0043] 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程：
[0045] 將式（2)代入式（3)，得到永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為
[0047] 本發(fā)明選擇定子正弦波磁動(dòng)勢(shì)與永磁體基波勵(lì)磁磁場(chǎng)間正交，并獨(dú)立控制定子電 流幅值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中dq軸的解親控制，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制，令
[0049] 其中（為永磁同步電機(jī)力矩電流給定值氣:，' 為令永磁同步電機(jī)勵(lì)磁電流給定 值。
[0050] 實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)電流分量的單獨(dú)控制，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)矩和氣隙磁通實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控 制，可以得到電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為
[0052] dq坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)等效模型如圖2所示，其中，1為兩相靜止坐標(biāo)系，2為 dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，3為永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，d軸方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈方 向，q軸方向?yàn)閐軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°電角度方向，β為電機(jī)三相定子電流合成空間矢量與 永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線（直軸）的夾角，又稱為轉(zhuǎn)矩角，Θ ^為d軸軸線與A相繞組軸線的夾 角。將定子電流is進(jìn)行dq軸分解，其d軸分量和q軸分量描述如下：
[0054] 其中，β為永磁同步電機(jī)定子電流矢量與永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子直軸的夾角。
[0055] 將式（7)代入式（4)，可以得到永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型中的電磁轉(zhuǎn)矩方程為
[0057] 本發(fā)明方法采用隱極式永磁同步電機(jī)。轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可以簡(jiǎn)化如下：
[0059] 保持定子電流矢