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CN108233809A - 一种基于矢量控制的三相直流电机电流环设计方法 - Google Patents

一种基于矢量控制的三相直流电机电流环设计方法 Download PDF

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CN108233809A
CN108233809A CN201711468901.3A CN201711468901A CN108233809A CN 108233809 A CN108233809 A CN 108233809A CN 201711468901 A CN201711468901 A CN 201711468901A CN 108233809 A CN108233809 A CN 108233809A
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static
electric current
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CN201711468901.3A
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韦老发
骆敏舟
卢钰
徐天啸
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Institute of Intelligent Manufacturing Technology JITRI
Original Assignee
Institute of Intelligent Manufacturing Technology JITRI
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Abstract

本发明提供一种基于矢量控制的三相直流电机电流环设计方法，包括以下步骤：S1.电流采样；S2.静止三相abc到静止两相坐标αβ的变换；S3.静止两相到旋转两相变换；S4.两相旋转电流的调节，在电机的实际控制过程中，采用传统的PID算法，经过计算得出ud、uq；S5.旋转两相到静止两相变换；S6.SVPWM输出，根据矢量uα、uq，判断电机当前的位置状态，计算出三相输出电压的PWM占空比，使能电机的运动即完成一个周期的电流环计算。本发明可以有效的减小电机的转矩脉动；效率高，噪声小，这对于噪声要求小的场合非常重要；动态响应速度快，可以有效的提高电机的电流环响应速度。

Description

一种基于矢量控制的三相直流电机电流环设计方法
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于矢量控制的三相直流电机电流环设计方法。
背景技术
三相直流电动机具有无极调速、调速范围广、过载能力强、线性度好、寿命长、体积小、重量轻、出力大等优点以及优良的转矩特性，使其在运动控制领域得到广泛的应用。
传统的控制算法是有两种，一是基于“六步换向”，通过采样当前电机转子的位置，按照电机旋转的顺序，依次往三相直流电机中的两相通入直流电以形成对应的牵引旋转磁场，拖动电机转子的运动。这种方波控制方式的优点是控制算法简单、硬件成本较低，使用性能普通的控制器便能获得较高的电机转速；缺点是转矩波动大、存在一定的电流噪声、效率达不到最大值。方波控制适用于对电机转动性能要求不高的场合。二是采样正弦波的控制方式，即SVPWM波控制，输出三相正弦电压，这种方式没有方波控制换向的概念，或者认为一个电气周期内进行了无限多次的换向。显然，正弦波控制相比方波控制，其转矩波动较小，电流谐波少，控制起来感觉比较“细腻”，但是对控制器的性能要求稍高于方波控制，而且电机效率不能发挥到最大值。正弦波控制实现了电压矢量的控制，间接实现了电流大小的控制，但是无法控制电流的方向。
发明内容
为解决现有技术存在的转矩波动大、效率较低、噪音大的缺陷，本发明提供一种基于矢量控制的三相直流电机电流环设计方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种基于矢量控制的三相直流电机电流环设计方法，包括以下步骤：
S1.电流采样，采集到三相电机的三相电流ia、ib、ic；
S2.静止三相abc到静止两相坐标αβ的变换，由采样的三相电流ia、ib、ic，经过Clark变换，得到静止坐标的两相电流iα、iβ；
S3.静止两相到旋转两相变换，由静止坐标的两相电流iα、iβ，经过Park变换，得到旋转坐标的两相电流id、iq；
S4.两相旋转电流的调节，在电机的实际控制过程中，采用传统的PID算法，经过计算得出ud、uq；
S5.旋转两相到静止两相变换，由上述的ud、uq，经过Park反变换，就可以得出控制三相电机旋转的空间矢量uα、uq；
S6.SVPWM输出，根据矢量uα、uq，判断电机当前的位置状态，计算出三相输出电压的PWM占空比，使能电机的运动即完成一个周期的电流环计算。
根据实际情况，可以选择，步骤S1中的电流的采样使用采样电阻进行三相电机电流的电流转电压变换，得到对应的相电流大小。
根据实际情况，还可以选择，步骤S1中的电流的采样使用电流采样芯片进行电流的采样，使用基于矢量控制的电流环设计，采样两相电流，从而计算出第三相的电流。
本发明具有以下有益效果：
(1)可以有效的减小电机的转矩脉动；
(2)效率高，噪声小，这对于噪声要求小的场合非常重要；
(3)动态响应速度快，可以有效的提高电机的电流环响应速度。
附图说明
图1为本发明的基于矢量控制算法下电机定子磁场与转子磁场的结构示意图。
图2为本发明的基于矢量控制的三相直流电机电流环设计的结构示意图。
图3为本发明的Clark变换的结构示意图。
图4为本发明的Park变换的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
本发明提出一种基于矢量控制(FOC)的算法，如图1所示，控制了电机定子磁场的方向，保证电机定子磁场与转子磁场时刻保持在90°，实现一定电流下的最大转矩输出。FOC控制方式的优点是：转矩波动小、效率高、噪声小、动态响应快。FOC控制方式可以认为实现电流矢量的控制，也即实现了电机定子磁场的矢量控制。
本发明提出一种基于矢量控制的三相直流电机电流环设计，如图2所示，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两个分量互相垂直，彼此独立，然后对两者进行单独调节，这样矢量控制的关键还是对电流矢量的幅值和空间位置的控制。矢量控制的目的是为了改善转矩性能，而最终实施依然是落实在对定子电流的控制上，借助于坐标变换。
本发明提供一种一种基于矢量控制的三相直流电机电流环设计方法，包括以下步骤：
S1.电流采样，采集到三相电机的三相电流ia、ib、ic；
S2.静止三相abc到静止两相坐标αβ的变换，如图3所示，由采样的三相电流ia、ib、ic，经过Clark变换，得到静止坐标的两相电流iα、iβ；
S3.静止两相到旋转两相变换，如图4所示，由静止坐标的两相电流iα、iβ，经过Park变换，得到旋转坐标的两相电流id、iq；
S4.两相旋转电流的调节，在电机的实际控制过程中，采用传统的PID算法，经过计算得出ud、uq；
S5.旋转两相到静止两相变换，由上述的ud、uq，经过Park反变换，就可以得出控制三相电机旋转的空间矢量uα、uq；
S6.SVPWM输出，根据矢量uα、uq，判断电机当前的位置状态，计算出三相输出电压的PWM占空比，使能电机的运动即完成一个周期的电流环计算。
根据实际情况，可以选择，步骤S1中的电流的采样使用采样电阻进行三相电机电流的电流转电压变换，得到对应的相电流大小。
根据实际情况，还可以选择，步骤S1中的电流的采样使用电流采样芯片进行电流的采样，使用基于矢量控制的电流环设计，采样两相电流，从而计算出第三相的电流。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于矢量控制的三相直流电机电流环设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.电流采样，采集到三相电机的三相电流ia、ib、ic；
S2.静止三相abc到静止两相坐标αβ的变换，由采样的三相电流ia、ib、ic，经过Clark变换，得到静止坐标的两相电流iα、iβ；
S3.静止两相到旋转两相变换，由静止坐标的两相电流iα、iβ，经过Park变换，得到旋转坐标的两相电流id、iq；
S4.两相旋转电流的调节，在电机的实际控制过程中，采用传统的PID算法，经过计算得出ud、uq；
S5.旋转两相到静止两相变换，由上述的ud、uq，经过Park反变换，就可以得出控制三相电机旋转的空间矢量uα、uq；
S6.SVPWM输出，根据矢量uα、uq，判断电机当前的位置状态，计算出三相输出电压的PWM占空比，使能电机的运动即完成一个周期的电流环计算。
2.根据权利要求1所述的基于矢量控制的三相直流电机电流环设计方法，其特征在于，步骤S1中的电流的采样使用采样电阻进行三相电机电流的电流转电压变换，得到对应的相电流大小。
3.根据权利要求1所述的基于矢量控制的三相直流电机电流环设计方法，其特征在于，步骤S1中的电流的采样使用电流采样芯片进行电流的采样，使用基于矢量控制的电流环设计，采样两相电流，从而计算出第三相的电流。
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