一種電力機器人的驅動控制系統的製作方法
2023-09-21 22:35:45
一種電力機器人的驅動控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電力機器人的驅動控制系統，驅動裝置採用直接轉矩控制系統，本發明採用狀態方程來計算定子磁鏈幅值，同時針對兩電平逆變器的不足，本發明提出了一種基於中點鉗位式三電平逆變器，最後為了準確獲得機器人驅動電機(PMSM)的位置和速度信息，本發明提出了位置遞推控制算法來取代位置傳感器技術。本發明將狀態方程計算磁鏈幅值法，直接轉矩控制系統，中點鉗位式三電平逆變器和位置遞推控制算法結合在一起，提高了電力機器人新型驅動控制系統裝置的性能，並且準確、有效的檢測變電站巡視機器人的位置和速度信息。
【專利說明】-種電力機器人的驅動控制系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電力機器人的驅動控制系統，基於直接轉矩控制系統，將狀態方 程計算磁鏈幅值法、中點鉗位式三電平逆變器和位置遞推控制算法結合在一起，對電力機 器人進行驅動控制。
【背景技術】
[0002] 目前，在各種結構的機器人系統中，由於採用驅動電機PMSM的方案效率較高，因 此這種方案具有著重要的地位。特別是在電力機器人和小型機器人中，由於驅動電機PMSM 具有高功率密度以及快速、精確的高控制性能，使其成為電力機器人的首選。對於這種電機 控制方法的研究一直以來是一個熱點。1985年，直接轉矩控制理論被德國魯爾大學的德彭 布羅克教授首次提出，它在很大程度上解決了矢量控制中電機的參數影響較大、旋轉變化 複雜以及實際中應用和理論結果不一致的現象。直接轉矩控制技術誕生以後，因為控制思 想新穎、結構簡單、動靜態性能優良等特點而受到了普遍的關注，並且得到了迅速的發展。 目前，該技術已成功地應用在機器人電機驅動領域。
[0003] 在直接轉矩控制系統，需要計算定子磁鏈，構成磁鏈自控制；需要定子磁鏈實現電 動機電磁轉矩的準確觀測；電動機低速運行時需要定子磁鏈構成磁鏈量的閉環控制，以實 現系統低速時定子磁鏈量的控制。所以，定子磁鏈的準確獲得是實現直接轉矩控制系統高 性能的轉矩動態響應的關鍵因素之一。為此，學者們開始進行了更為深入地研究和拓展，形 成了一系列新型改進磁鏈觀測器，現在已經出現的改進積分器：（1)飽和反饋的改進積分 器；（2)幅值限定的改進積分器；（3)自適應積分器；(4)可編程的級聯低通濾波器。但這些 定子磁鏈觀測積分器都存在著一定的缺陷。
[0004] 電壓型逆變器又分為兩電平電壓型逆變器、多電平逆變器、矩陣式逆變器和諧振 式逆變等。其中使用最多的是三相兩電平電壓逆變器，它非常適用於中小容量的直接轉矩 控制系統，但它的缺點是只能夠提供8個電壓矢量，其中包括6個運動矢量和2個零電壓矢 量。對定子磁鏈和電磁轉矩控制的靈活度不夠，如果在一個周期中僅用一個電壓矢量將會 造成很大的磁鏈脈動和轉矩脈動，所以需要逆變器提供更多的電壓矢量以供選擇，因此在 直接轉矩控制中多電平逆變器的研究成為了當前的熱點。
[0005] 直接轉矩控制本質上是一種無速度傳感器技術，它直接在定子靜止坐標系中建立 定子磁鏈和轉矩的數學模型。它通過構成速度閉環結構，獲得轉速信息，以便精準的控制電 機轉速。電機可以採用速度傳感器與轉子同軸安裝方法來獲得速度信息，顯然這種機械傳 感器因為需要控制器與傳感器之間的連接線，所以會導致控制系統性能降低；而且也增加 了控制系統的成本。因此，對無速度傳感器的研究有著重要的意義。
[0006] 1999年，依託山東電力集團及山東電力研究院，成立電力機器人技術實驗室，正式 啟動"高壓帶電作業機器人"項目，是我國最早開展電力機器人研究的機構之一。2004年7 月，實驗室被山東省科技廳正式批准為"山東省電力智慧機器人工程技術研究中心。2007 年4月，機器人實驗室正式被命名為"國家電網公司電力機器人重點實驗室"。2010年11 月，經山東省科技廳批准成立"山東電力研究院院士工作站"，中國工程院士、機器人專家蔡 鶴皋院士進站工作。2012年1月，山東省科技廳批准成立"山東省中加電力機器人合作研 究中心"，與加拿大魁北克水電研究院在電力機器人領域開展深層次技術交流與合作。
【發明內容】
[0007] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種電力機器人的驅動 控制系統，基於直接轉矩控制系統，通過狀態方程計算定子磁鏈幅值，同時針對兩電平逆變 器的不足，採用基於中點鉗位式三電平逆變器，最後為了準確獲得驅動電機PMSM的位置和 速度信息，採用位置遞推控制算法取代位置傳感器技術；以提高電力機器人驅動控制系統 的性能，同時能夠準確、有效地檢測變電站巡視機器人的位置和速度信息。
[0008] 技術方案：為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：
[0009] -種電力機器人的驅動控制系統，基於直接轉矩控制系統，將狀態方程計算磁鏈 幅值法、中點鉗位式三電平逆變器和位置遞推控制算法結合在一起，對電力機器人進行驅 動控制，具體為：
[0010] (1)直接轉矩控制系統，直接在定子靜止坐標系下建立電機的數學模型，採用雙閉 環調速結構：首先通過檢測驅動電機的定子電流和定子電壓，並由位置遞推控制算法檢測 出實際轉速w，檢測出的定子電流和定子電壓依次中點鉗位式三電平逆變器和3/2變換後， 得到在定子靜止坐標系下的電流和電壓，然後由磁鏈觀測單元（狀態方程）和轉矩觀測單 元（T e模型）分別計算出實際磁鏈和轉矩，並對磁鏈相位進行判斷；接著將實際磁鏈與磁 鏈給定值進行比較得到磁鏈控制指令，將實際轉矩與轉矩給定值進行比較得到轉矩控制指 令，其中轉矩給定值是由實際轉速w和給定轉速經過ASR調節器獲得；最後將磁鏈控制 指令、轉矩控制指令和磁鏈相位輸入到開關狀態選擇表，根據對轉矩和磁鏈的要求，選擇空 間電壓矢量，利用開關狀態選擇表控制中點鉗位式三電平逆變器進行工作，以進行驅動電 機PMSM的直接轉矩控制；
[0011] (2)磁鏈觀測單元，用於計算磁鏈幅值和判斷磁鏈相位：運用狀態方程計算定子 磁鏈幅值，即實際磁鏈，然後將實際磁鏈與磁鏈給定值進行比較，以避免積分器的不利因 素，得到開關電狀態選擇表的一個輸入量；如果全部採用狀態方程，將沒有辦法確定磁鏈的 相位，考慮到幅值限定積分器對於相位的確定是非常準確的，因此使用幅值限定積分器作 為確定磁鏈相位的工具，再加上狀態方程確定磁鏈幅值，兩者一起可以起到很好的效果；
[0012] ⑶中點鉗位式三電平逆變器：其交流側每相輸出端從中間直流迴路得到三種狀 態的輸出電壓，分別為正端電壓P、負端電壓N和零電位0,因此該中點鉗位式三電平逆變器 共有27中不同的開關組合，每一種開關組合都對應輸出一個空間電壓矢量；
[0013] (4)位置遞推控制算法：實際轉速w採用位置遞推算法得到，具體過程為：
[0014] 設定唚為驅動電機PMSM的位置角，則驅動電機PMSM的電壓方程在兩相選擇坐 標系d_q軸坐標下為：
【權利要求】
1. 一種電力機器人的驅動控制系統，其特徵在於：基於直接轉矩控制系統，將狀態方 程計算磁鏈幅值法、中點鉗位式三電平逆變器和位置遞推控制算法結合在一起，對電力機 器人進行驅動控制，具體為： (1) 直接轉矩控制系統，直接在定子靜止坐標系下建立電機的數學模型，採用雙閉環調 速結構：首先通過檢測驅動電機的定子電流和定子電壓，並由位置遞推控制算法檢測出實 際轉速W，檢測出的定子電流和定子電壓依次中點鉗位式三電平逆變器和3/2變換後，得到 在定子靜止坐標系下的電流和電壓，然後由磁鏈觀測單元和轉矩觀測單元分別計算出實際 磁鏈和轉矩，並對磁鏈相位進行判斷；接著將實際磁鏈與磁鏈給定值進行比較得到磁鏈控 制指令，將實際轉矩與轉矩給定值進行比較得到轉矩控制指令，其中轉矩給定值是由實際 轉速w和給定轉速/經過ASR調節器獲得；最後將磁鏈控制指令、轉矩控制指令和磁鏈相 位輸入到開關狀態選擇表，根據對轉矩和磁鏈的要求，選擇空間電壓矢量，利用開關狀態選 擇表控制中點鉗位式三電平逆變器進行工作，以進行驅動電機PMSM的直接轉矩控制； (2) 磁鏈觀測單元，用於計算磁鏈幅值和判斷磁鏈相位：運用狀態方程計算定子磁鏈 幅值，即實際磁鏈；使用幅值限定積分器作為確定磁鏈相位的工具； (3) 中點鉗位式三電平逆變器：其交流側每相輸出端從中間直流迴路得到三種狀態的 輸出電壓，分別為正端電壓P、負端電壓N和零電位0,因此該中點鉗位式三電平逆變器共有 27中不同的開關組合，每一種開關組合都對應輸出一個空間電壓矢量； (4) 位置遞推控制算法：實際轉速w採用位置遞推算法得到，具體過程為： 設定L為驅動電機PMSM的位置角，則驅動電機PMSM的電壓方程在兩相選擇坐標系 d_q軸坐標下為：
其中R為電樞繞組電阻，L為電樞繞組電感，ud、uq、id、分別指d、q軸的電壓和電流， 為永磁體的永磁磁鏈，P是微分因子；據此得到：
將
和給定轉速
經過ASR調節器得到轉矩給定值。
【文檔編號】H02P21/00GK104158455SQ201410423165
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月25日 優先權日:2014年8月25日
【發明者】餘海濤, 孟高軍, 胡敏強, 黃磊 申請人:東南大學