一種陀螺永磁同步電機無傳感器控制系統的製作方法

2023-11-07 18:17:33 1

本發明涉及永磁同步電機控制系統，特別是一種陀螺永磁同步電機無傳感器控制系統。

背景技術：

高精度三浮陀螺通過採用永磁電機替代磁滯電機，提高了電機轉速穩定性，減小了電機功率損耗，提高了陀螺精度。永磁電機一般需要一套轉子位置傳感器，如光柵、旋變等，以實現換相，但受電機引線和陀螺空間體積的限制，陀螺永磁電機無法安裝位置傳感器，因此國內外針對陀螺永磁電機一般採用無位置傳感器控制方法。

現有的陀螺永磁電機大多採用無刷直流電機，其主要原因是驅動控制方法簡單，且絕大部分採取了PWM方波驅動。「無刷直流陀螺電機的高精度恆速控制」(中國慣性技術學報第11卷第6期2003年12月)一文針對無刷直流陀螺電機採用了三相三態的PWM驅動方法。「基於DSP和ML4428無刷直流陀螺電機鎖相穩速控制的研究」(中國慣性技術學報第13卷第4期2005年8月)一文採用三相六拍的方法對無刷直流陀螺電機進行PWM驅動。由於陀螺永磁電機的定子大多採用無鐵心結構，因而導致定子繞組電感很小，所以採用PWM方波進行驅動時定子電流諧波會增多，這會引起轉矩波動增大，從而不利於進一步提高陀螺永磁電機的轉速穩定性。

針對永磁同步電機無傳感器控制，中國專利CN201010508205.2名稱為永磁同步電機的無傳感器控制系統提出了滑模觀測器法，「基於神經網絡的PMSM速度和位置自適應觀測器的設計」(中國電機工程學報第12卷第22期2002年12月)一文提出了神經網絡算法，「灰色預測法PMSM無傳感器控制系統」(電機與控制學報第6卷第11期2007年11月)，中國專利CN201310289582.5名稱為基於EKF的永磁同步電機無傳感器矢量控制系統提出了擴展卡爾曼濾波法，「兩種高頻信號注入法的無傳感器運行研究」(中國電機工程學報第5卷第25期2005年3月)一文提出了高頻信號注入法。雖然智能算法具有一定的普遍適用性，但是其對應的算法編程一般較為複雜，從而難以工程化應用；與智能算法相比，高頻信號注入法實現相對簡單，但它依賴於電機轉子的凸極效應，而陀螺永磁同步電機的轉子通常採用隱極式結構且定子無鐵心，所以該方法難以被利用。此外，常規的PID控制精度難以滿足高精度陀螺對電機轉速極高穩定性的要求，而且目前尚未見有針對無位置傳感器的高速永磁同步電機的極高轉速穩定性控制方法。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種陀螺永磁同步電機無傳感器控制系統，針對現有的永磁同步電機無傳感器控制方法複雜，電機轉速穩定性不高的缺點，通過採用速度閉環和電流閉環構成的雙閉環控制，對反電勢過零脈衝信號進行倍頻產生正弦波電流發生器的頻率給定，將電機實際轉速與參考轉速的轉速差作為正弦電流幅值給定，對正弦電流和相反電勢信號進行相位鎖定，以實現陀螺永磁同步電機效率最大化，同時將代表電機轉速的方波信號與給定方波信號進行頻率鎖定，從而實現電機極高轉速穩定性。

本發明的技術解決方案是：一種陀螺永磁同步電機無傳感器控制系統，包括速度環、電流環，速度環包括鎖相環Ⅱ、分頻模塊、反電勢過零比較電路、相反電勢提取電路，電流環包括鎖相環Ⅰ、正弦波電流發生器、電流控制器、功率線性放大電路、電流檢測電路，其中

相反電勢提取電路，接收外部陀螺永磁同步電機輸出的端電壓信號後得到相反電勢信號，並將相反電勢信號送至相反電勢過零比較電路，其中，相反電勢提取電路的構造基於外部陀螺永磁同步電機的端電壓方程；

相反電勢過零比較電路，對相反電勢信號進行過零比較得到過零脈衝信號，並將過零脈衝信號分別送至電流環中的鎖相環Ⅰ、速度環中的分頻模塊；

分頻模塊，接收過零脈衝信號後進行分頻得到機械頻率方波信號並送至鎖相環Ⅱ；

鎖相環Ⅱ，從外部獲取給定方波，然後對機械頻率方波信號與給定方波信號進行鑑相、低通濾波，得到代表陀螺永磁同步電機實際轉速與陀螺永磁同步電機參考轉速差的數字量，並將代表轉速差的數字量送至電流環中的正弦波電流發生器，作為正弦電流幅值給定；所述的給定方波信號的頻率等於陀螺永磁同步電機參考轉速對應的機械頻率；

鎖相環Ⅰ，對過零脈衝信號進行倍頻產生頻率給定並送至正弦波電流發生器；同時對頻率給定、過零脈衝信號進行鎖相，以使得給定正弦電流與相反電勢信號的相位對齊；其中，頻率給定與過零脈衝信號的倍頻數等於外部陀螺永磁同步電機轉子0至360度電角度的等分數；

正弦波電流發生器，接收頻率給定後使用計數器產生正弦表尋址，根據正弦表尋址查找正弦表得到外部陀螺永磁同步電機當前轉子位置對應的正弦值，然後將當前正弦值與正弦電流幅值給定的乘積送至DA轉換器；所述的計數器為周期性計數，最大計數值等於外部陀螺永磁同步電機轉子0至360度電角度的等分數；所述的正弦表包括0至360度所有角度對應的正弦值；

DA轉換器，對正弦電流值進行數模轉換，得到正弦電流波形並送至電流控制器；

電流檢測電路，採集外部陀螺永磁同步電機輸出的相電流信號並送至電流控制器；

電流控制器，對相電流信號、給定正弦電流波進行比例積分運算，得到的運算結果送至功率線性放大電路；

功率線性放大電路，對電流控制器運算結果進行功率放大後送至外部陀螺永磁同步電機，完成電機驅動控制。

所述的鎖相環Ⅰ包括倍頻單元、鎖相單元；倍頻單元，對過零脈衝信號進行倍頻產生頻率給定信號送至正弦波電流發生器，鎖相單元對頻率給定信號和過零脈衝信號進行鎖相，以使得正弦電流與相反電勢信號的相位對齊。

所述的鎖相環Ⅱ包括鑑相單元、低通濾波單元；鑑相單元，從外部獲取給定方波，然後對機械頻率方波信號與給定方波信號進行鑑相，將鑑相得到的數據信號送至低通濾波單元進行低通濾波，得到代表陀螺永磁同步電機實際轉速與陀螺永磁同步電機參考轉速差的數字量，並將代表轉速差的數字量送至電流環中的正弦波電流發生器，作為正弦電流幅值給定。

本發明與現有技術相比的優點在於：

(1)本發明控制系統通過將基於鎖相環的電機轉速控制技術、線性驅動技術、基於鎖相環的轉子位置估計方法進行結合，解決了高速陀螺永磁同步電機無位置傳感器高轉速穩定性控制難題，大大降低了電機的轉矩波動，與傳統的控制方法相比，使陀螺永磁同步電機的轉速穩定性提高了一個數量級；

(2)本發明控制系統通過採用電流鎖相環將定子相電流與相反電勢的相位進行對齊，與現有技術相比具有陀螺永磁同步電機工作效率最大化的優點。

附圖說明

圖1為本發明一種陀螺永磁同步電機無傳感器控制系統結構組成圖；

圖2為本發明控制系統中鎖相環Ⅰ組成；

圖3為本發明控制系統中鎖相環Ⅱ組成。

具體實施方式

本發明針對現有技術的不足，提出一種陀螺永磁同步電機無傳感器控制系統，與現有技術相比本發明系統陀螺電機採用永磁同步電機，永磁同步電機與無刷直流電機的不同之處在於永磁同步電機的空載反電勢波形為正弦波，根據電機工作原理，永磁同步電機的最佳驅動方式為正弦波驅動。在工業應用中永磁同步電機正弦波驅動的實現方式絕大多數採用了空間矢量脈寬調製或正弦脈寬調製等數字方法，該方法優點是控制實現簡單，缺點是會產生電流諧波，從而導致轉矩波動，影響轉速穩定性，因而難以滿足陀螺這種高精密儀表對轉速穩定性極高的要求，因此本發明系統採用正弦波線性驅動方案。目前尚未見有針對無位置傳感器的高速永磁同步電機的極高轉速穩定性控制方法，所以本發明系統提出基於全數字鎖相環的陀螺永磁同步電機無傳感器控制方法，下面結合附圖對本發明系統進行詳細說明。

如圖1所示為本發明陀螺永磁同步電機無傳感器控制系統結構組成圖，本發明系統包括速度環、電流環，速度環包括鎖相環Ⅱ、分頻模塊、反電勢過零比較電路、相反電勢提取電路，電流環包括鎖相環Ⅰ、正弦波電流發生器、電流控制器、功率線性放大電路、電流檢測電路。

相反電勢提取電路，接收陀螺永磁同步電機輸出的端電壓信號，陀螺永磁同步電機輸出的端電壓信號經過相反電勢提取電路得到相反電勢信號，相反電勢過零比較電路對相反電勢信號進行過零比較得到過零脈衝信號，過零脈衝信號分別送至電流環中的鎖相環Ⅰ、速度環中的分頻模塊，其中，相反電勢提取電路的構造基於陀螺永磁同步電機的端電壓方程。

分頻模塊，接收過零脈衝信號後進行分頻得到機械頻率方波信號並送至鎖相環Ⅱ；鎖相環Ⅱ，從外部獲取給定方波，然後對機械頻率方波信號與給定方波信號進行鑑相、低通濾波，得到代表陀螺永磁同步電機實際轉速與陀螺永磁同步電機參考轉速差的數字量，並將代表轉速差的數字量送至電流環中的正弦波電流發生器，作為正弦電流幅值給定；其中，給定方波信號的頻率等於陀螺永磁同步電機參考轉速對應的機械頻率。

鎖相環Ⅰ，對過零脈衝信號進行倍頻產生頻率給定並送至正弦波電流發生器；同時對頻率給定和過零脈衝信號進行鎖相，以使得給定正弦電流與相反電勢信號的相位對齊，從而使得待驅動的陀螺永磁同步電機的效率最大。

正弦波電流發生器，接收頻率給定經過計數器後產生正弦表尋址，正弦表尋址送入正弦表後查找出當前轉子位置對應的正弦值，正弦值與正弦電流幅值給定的乘積送至DA轉換器；其中，計數器的最大計數值等於轉子0至360度電角度的等分數，正弦表包括所有0至360度電角度對應的正弦值。

DA轉換器，對給定正弦電流值進行數模轉換，得到給定正弦電流波形並送至電流控制器。

電流檢測電路，採集外部陀螺永磁同步電機輸出的相電流信號並送至電流控制器。

電流控制器，對相電流信號、給定正弦電流波進行比例積分運算，得到的運算結果送至功率線性放大電路。

功率線性放大電路，對電流控制器運算結果進行功率放大後送至外部陀螺永磁同步電機，完成電機驅動控制。

如圖2所示為鎖相環Ⅰ組成，鎖相環Ⅰ包括倍頻單元、鎖相單元；倍頻單元，對過零脈衝信號進行倍頻產生頻率給定並送至正弦波電流發生器，鎖相單元對頻率給定和過零脈衝信號進行鎖相，以使得給定正弦電流與相反電勢信號的相位對齊，從而使得待驅動的陀螺永磁同步電機的效率最大。

附圖3所示為鎖相環Ⅱ組成，鎖相環Ⅱ包括鑑相單元、低通濾波單元；鑑相單元，從外部獲取給定方波，然後對機械頻率方波信號與給定方波信號進行鑑相，將鑑相得到的數據信號送至低通濾波單元進行低通濾波，得到代表陀螺永磁同步電機實際轉速與陀螺永磁同步電機參考轉速差的數字量，並將代表轉速差的數字量送至電流環中的正弦波電流發生器，作為正弦電流幅值給定。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。