电机控制算法讨论

王彬杰R&DABB04-14-2010电机限制算法探讨Woshijiajk;agla;l;

主要内容

一、电机限制理论背景1.异步电机模型及矢量限制框图2.同步电机模型矢量限制框图3.统一限制模型4.VF框图二、具体实现及一些微小环节问题的探讨1.PMSM转子磁极的检测2.PMSM启动算法以及每转校正环节3.死区补偿算法4.位置环的设计5.电流采样改进，初始零点采样加冒泡算法6.如何调试7.PI

主要内容

一、电机数学模型

由于感应电机的基于静止坐标系的数学模型是非线性、强耦合的，难以进行动态分析，通过旋转变换，可以分别得到基于两相静止坐标系的数学模型和基于两相旋转坐标系的数学模型。变换示意图如下图所示。1.异步电机模型及矢量限制框图转矩方程为：

（1-1）定子电压方程：

（1-2）其中，

＝

。转差的计算公式：

，其中,因此可令

则得转差

（1-3）

两相旋转坐标系下的数学模型：分析结论由（2-1）可以看出，经过矢量变换后，电磁转矩只与定子q轴电流和转子d轴磁势有关，当保持恒定时，电磁转矩只与定子q轴电流成正比，即通过限制定子电流的q轴重量即可限制电磁转矩。但是在实际系统中对转子磁链的观测是比较困难的，在工程应用中往往接受励磁电流来给定转子磁链，考虑到转子时间常数及磁场建立缓慢的影响，可令给定，这样，在计算转差时就可以很便利的运用（2-3）式。理论上，转差的计算是以反馈电流来计算的，但是由于反馈电流的干扰毛刺较多，简洁造成计算误差。实际操作中是以给定电流来计算的，虽然与实际计算值存在确定的差值，但是计算结果较为平滑，可以接受。感应电机全速度范围内运行的转矩分析为分析全速度范围内的电机运行状态，我们须要推到出电机在dq坐标下的稳态方程。接受的是转子磁场定向，即d轴与转子磁场方向重合，则此时转子磁通的q轴重量为零（＝0），此时电机电压方程可表示为:推导出电机稳态方程电机运行时始终受到到两个外部条件的限制，一个是逆变器的母线电压，由于母线电压一般是将工业用电经整流得到，所以，其大小是相对固定的，而电机所能用到的电压是与PWM调制策略相关的，本文运用的是基于空间电压矢量的PWM调制，因此可利用的电压最大为。另一个限制条件是电机和逆变器的额定电流的限制。由上所述，调速系统的限制条件可表示为：当电机运行在高速区时，电机电压方程里的旋转反电动势远大于定子电阻压降，忽视定子电阻压降，并代入到限制方程，则限制方程可改写为：依据上述限制条件可以画出电机的运行状态空间：在各区间为了获得最大转矩，分别提出了不同的限制策略：(1).在基速以下区域，励磁电流保持不变，转矩电流限制在1.5倍的最大值，以使电机能满足1.5过载的要求。(2).在基速以上第一区间，起先应用弱磁策略，使励磁电流按确定规律变小，为获得最大转矩可令:,充分利用额定电流。(3).在其次弱磁区，只有c点才是最大转矩点，为保证电机能运行在c点，在C点处：必需满足:感应电机的矢量限制框图：同步永磁电机在旋转坐标系下的数学模型旋转坐标系下，将d轴与转子磁场同向，则永磁同步电机的电压方程：其中：表示永久磁铁对应的转子磁链，下标dq表示各向量在dq轴上的重量。P是微分算子。电机输出的电磁转矩方程为：考虑到一般伺服电机的转子为圆筒表贴式结构，则电机气隙磁场分布匀整，那么电机的反电动势成正弦分布，即，则电磁转矩方程可改写为：转矩与成正比，即矢量算法的目标。是极对数代入磁链方程耦合项耦合项永磁同步电机矢量限制框图：电流反馈解耦限制：从电机的定子电压方程，可以看出，d轴和q轴存在耦合现象，假如不进行处理，则d轴和q轴电流环无法进行线性限制。由于转子是永磁体，定子侧无需再进行励磁，则可令恒等于零，即可得到线性化解耦的效果。如何限制？计算出定子侧d轴方向的定子电流。d轴放在转子磁极方向上找到转子磁极的位置。倒推Park变换计算得出反馈电流闭环限制假设我们已经知道转子的磁极位置（磁极位置推断在后面章节）：设A相绕组电枢电流相位和A相绕组轴线与d轴夹角之间的关系：为当A相绕组轴线与d方向一样时，A相绕组电流的初始相位。假设志向的三相平衡电流接入到永磁同步电机的输入端，数学方程如下：3/2变换由转换结果可以得出，若想d轴电流为零，即令为180°或0°，也就是说在得知转子的具体位置时，进行PARK变换时变换角度叠加.这样即可在限制侧达到近似解耦的效果。统一限制框图VF限制算法框图二、具体实现及一些微小环节问题的探讨1.永磁同步电机的磁极位置检测位置传感器主要是光电编码器，主要分为增量型和确定性编码器。国内用于位置限制的码盘主要是接受混合型编码器，具体参数如下：Z与U信任号的关系及UVW与转子磁极的关系（1）.由原动机拖动该测试电机，测量在某一转向下线反电动势的相序关系，并推导出相反电动势之间的相序关系。使电机顺时针方向旋转，用示波器测量两线反电动势，右图是示波器显示的两相线反电动势关系图。其中黄色为Euv，蓝色为Ewv，从图中可以看到Euv超前Ewv60°电角度。转子位置测量方法（以登奇GK6063电机为例）及电机运行过程中转子位置的检测方法：电机厂家在安装码盘时会依据确定的规则，使转子磁极对应码盘上的一个固定的位置，但是不同的电机厂家的安装方式不同，也就导致了不同电机的转子磁极位置是不一样的，当我们来驱动一台新电机时首先是要确定转子磁极在码盘上所对应的位置。相量关系由图2所示，Evw在Ewv相反方向，所以Evw超前Euv120°，则相反电动势的相序为Eu滞后Ev120°，Ev滞后Ew120°,为负序。图2线反电势相序（2）.顺时针旋转，确定Z信号与UV线反电动势的相位关系：Z信号在UV线反电动势的-30°方向上（3）.分析转子的磁极位置：由于UVW是负序，即Euv滞后Eu30°，则Z信号出现在Eu0°位置上，由于相反电动势滞后磁通90°电角度，如图所示，所以Z信号所在的位置即磁极D轴所在的位置，D轴与U相夹角为0度。即，若使永磁电机的模型得到线性解耦，在检测到转子位置时，使电流相位的偏移角度为0即可。2.同步电机启动算法以及每转校正环节在转子磁极与码盘的关系确定后，我们就可以在电机运行中通过码盘反馈得到转子的位置信号，用于PARK变换。目前有两种常用的方法用于转子位置的推断：a.启动阶段转子位置的检测101100110010011001101100110010011001TUTVTW对于增量是编码器，限制器在上电运行时是无法获得转子的位置信息的。转子的初始位置检测是通过码盘上的UVW信号来实现的，一个周期的UVW信号与转子的一对极相对应，即一圈UVW信号是与转子磁极对数一样。这种定位方法会有不超过正负30°的误差，粗定位。转子位置信号0~6060~120120~180180~240240~300300~360U111000V001110W100011b.运行阶段转子位置的校正：一种方法是，由于已经确定了转子磁极与Z信号的关系，在电机依据初始定位启动起来之后，在一圈之内总能捕获到Z信号，然后会进行精确定位。另一种方法是依据依据UVW三相位置信号与磁极的相对位置来进行精确定位，该方法可在60°电角度内找到磁极的具体位置并进行定位。该方法的缺点？？？最好的方法。。。。举例说明，取相邻两扇区的WVU信号为，101/0013.死区补偿死区的成因及作用志向状况下PWM上下桥臂波形如下图所示：加上死区处理的PWM上下桥臂波形：补偿原理：单独分析一对桥臂，约定流向电机电流iu，该电流方向为正，从电机流出的电流的方向为负电流。1表示上桥通，下桥关，2表示上桥关，下桥通。针对导通波形分析前后作用矢量的时间关系：T1T2死区死区分析三相桥臂的死区补偿：并以SVPWM的一个区间为例进行分析说明：BCA001101000111101001000桥臂依次为ABC123456IA>0IB<0IC<0 IA<0IB>0IC<0IA>0IB>0IC<0IA<0IB<0IC>0IA>0IB<0IC>0IA<0IB>0IC>0Ⅰ010减011加零矢量不变010不变011减零矢量加010减011不变零矢量加010加011不变零矢量减010不变011加零矢量减010加011减零矢量不变Ⅱ001加101不变零矢量减001减101加零矢量不变001不变101加零矢量减001不变101减零矢量加001加101减零矢量不变001减101不变零矢量加Ⅲ001加011不变零矢量减001不变011减零矢量加001加011减零矢量不变001减011加零矢量不变001不变011加零矢量减001减011不变零矢量加Ⅳ100不变110减零矢量加100加110不变零矢量减100加110减零矢量不变100减110加零矢量不变100减110不变零矢量加100不变110加零矢量减Ⅴ010不变110减零矢量加010减110加零矢量不变010减110不变零矢量加010加110不变零矢量减010加110减零矢量不变010不变110加零矢量减Ⅵ100减101加零矢量不变100加101不变零矢量减100不变101加零矢量减100不变101减零矢量加100减101不变零矢量加100加101减零矢量不变总结：桥臂依次为CBA4.位置环设计作用？？偏差计数器实现方式实现比例环节的电子齿轮功能，对由数字滤波器造成的误差进行补偿，实现偏差计数器清零功能。5.电流采样的处理由于电流采样环节是系统闭环运行中的重要一环，其采样精度对系统的限制精度起着确定性的作用。如何提高采样进度，一方面硬件电路须要有完善的设计，另一方面软件上也要有一些处理措施。(1)在系统初始化阶段，为了避开硬件电流漂移引起的误差，使AD连续多次进行电流采样，然后取平均值，作为电流采样的零点。(2)在系统运行之后，电流在开关管的导通关闭时刻会引起尖峰，不仅会影响到系统的性能还会引起系统的误报警，为了解决这个问题，一种方法是避开开关时刻进行采样，但算法较为困难。现在我们在一个开关周期内不同时刻采样四次，分别抛弃最大和最小的两个采样值，剩下的做平均处理，能获得较好的效果。6.调试心得从内环到外环分步调试：(1)前向通道测试：前向通道调试，主要包括逆CLARK变换、SVPWM模块和SIN表，帮助模块为旋转角度发生模块。通过给定旋转角速度和电压VD、VQ，接受软件仿真环境可以得到马鞍型电压波形，则表示所测试的模块是正确的。2.带电机开环测试：带电机开环测试，运用调压器，母线上通入较小的电压，电机能够以给定的旋转角度进行运转。测试模块为AD采样模块、PARK变换和CLARK模块，框图如图所示：其中park变换和逆park变换的角度是给定的，所以park变换的dq电流是由给定的角度所确定的。结果如图所示，可以看到id与iq均为直流，均不为零why?-100-50050100150115294357718599113127141155169183197211225239253icidiqId,iq均不为零，因为不是以转子磁场定向，而是以定子电压方向定向进行变换，这样可以计算出电压与电流的夹角和功率因数3.电流闭环测试：电流闭环测试，主要测试初始相位推断模块、码盘反馈角度计算模块、电流PI调整器模块。旋转角度产生模块可以去掉。调试结构框图如图所示。目的：调试电流环，并达到我们的要求。测试结果如图2-8所示：图中电流给定为id=100h（约9.4A），iq=10h，为使速度与电流表现在同一个图中，接受标幺值，电流接受100H作为基准值，速度用2000转/分作为基准值。Iq给定一个较小的值目的是为了使电机旋转，电流环特性主要看id，图1中可以看到id保持在给定值旁边，iq在速度上升到最大转速（即电压饱和）后，降为更小值，作用是克服摩擦等阻力使电机保持旋转。id