一種交流伺服電機系統(tǒng)及其繞組三相電流的重構方法(發(fā)明)

1、說 明 書 摘 要本發(fā)明提供一種交流伺服電機系統(tǒng)及其繞組三相電流的重構方法，涉及一種交流電機驅動與控制技術領域。該發(fā)明三相全橋逆變控制拓撲結構和永磁同步電機，永磁同步電機與三相全橋逆變控制拓撲結構的交流輸出端連接，其中，三相全橋逆變控制拓撲結構包括三相橋式逆變電路、直流電源和電流傳感器，直流電源與三相橋式逆變電路的直流側并聯(lián)，三相橋式逆變電路包括A相、B相和C相，電流傳感器用于檢測流經(jīng)B相上橋臂和C相上橋臂的電流和、以及檢測流C相下橋臂的電流值；或檢測流經(jīng)C相上橋臂的電流值、以及檢測流經(jīng)B相下橋臂和C相下橋臂的電流和。本發(fā)明能夠減少電流傳感器的使用數(shù)量，減小系統(tǒng)體積，降低成本，提高驅動控制系統(tǒng)

2、的可靠性。3摘 要 附 圖權 利 要 求 書1、一種交流伺服電機系統(tǒng)，包括三相全橋逆變控制拓撲結構和永磁同步電機，所述永磁同步電機與所述三相全橋逆變控制拓撲結構的交流輸出端連接，其特征在于，所述三相全橋逆變控制拓撲結構包括三相橋式逆變電路、直流電源和電流傳感器，所述直流電源與所述三相橋式逆變電路的直流側并聯(lián)，所述三相橋式逆變電路包括A相、B相和C相，所述電流傳感器用于檢測流經(jīng)所述B相上橋臂和所述C相上橋臂的電流和、以及檢測流所述C相下橋臂的電流值；或檢測流經(jīng)所述C相上橋臂的電流值、以及檢測流經(jīng)所述B相下橋臂和所述C相下橋臂的電流和。2、如權利要求1所述的交流伺服電機系統(tǒng)，其特征在于，所述電流傳

3、感器的一端連接在所述A相上橋臂和所述B相上橋臂的連接線上，以檢測流經(jīng)所述B相上橋臂和所述C相上橋臂的電流和，所述電流傳感器的另一端連接在所述B相下橋臂和所述C相下橋臂的連接線上，以檢測流經(jīng)所述C相下橋臂的電流值。3、如權利要求1所述的交流伺服電機系統(tǒng)，其特征在于，所述電流傳感器的一端連接在所述B相上橋臂和所述C相上橋臂的連接線上，以檢測流經(jīng)所述C相上橋臂的電流值，所述電流傳感器的另一端連接在所述A相下橋臂和所述B相下橋臂的連接線上，以檢測流經(jīng)所述B相下橋臂和所述C相下橋臂的電流和。4、如權利要求2或3所述的交流伺服電機系統(tǒng)，其特征在于，所述電流傳感器為電氣隔離型電流傳感器，所述電氣隔離型電流傳

4、感器為霍爾效應傳感器和電流互感器中的一種。5、如權利要求4所述的交流伺服電機系統(tǒng)，其特征在于，所述三相橋式逆變電路的每一相橋臂由兩個串聯(lián)的全控型開關器件和分別與兩個所述全控型開關器件反并聯(lián)的二極管組成，所述全控型開關器件為絕緣柵雙極型晶體管。6、一種基于權利要求2或3中所述的交流伺服電機系統(tǒng)的繞組三相電流的重構方法，其特征在于，包括以下步驟：S10、采用電壓空間矢量實現(xiàn)矢量控制方式，通過給定的兩相正交坐標系下的電壓U、U經(jīng)Clarke逆變換得到三相對稱繞組電壓Ua、Ub、Uc；S20、計算三相對稱繞組電壓的輸出電壓矢量中兩個電壓矢量的幅值之和，若不超過閾值一，則執(zhí)行步驟S30；若兩個電壓矢量的

5、幅值之和超過閾值一，則執(zhí)行步驟S40；S30、在每個開關周期內的兩個零矢量的作用時段，分別通過AD轉換器采樣電流傳感器的輸出值，從而得到三相繞組的電流值；S40、若兩個電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則根據(jù)當前電壓矢量的位置選擇采樣方式，若開關周期內的兩個電壓矢量的幅值都大于閾值二，則執(zhí)行步驟S50；若線性調制區(qū)域內出現(xiàn)輸出電壓矢量中，兩個電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則根據(jù)當前電壓矢量的位置選擇采樣方式，若開關周期內的兩個電壓矢量的幅值任何一個小于閾值二，則執(zhí)行步驟S60；S50、在直流母線側安裝另一個單電流傳感器，在兩個電壓矢量作用時段，分別通過AD轉換器采樣母線上電流傳感器的輸出值，并根據(jù)

6、電壓矢量所處的扇區(qū)位置，確定兩次采樣對應的電流值，從而得到三相繞組的電流值；S60、采用滑模電流觀測器加反饋校正的方式獲得三相繞組電流。7、如權利要求6所述的繞組三相電流的重構方法，其特征在于，在所述步驟S20中，閾值一是由功率器件的通斷延遲時間td、電流建立時間tset及AD轉換器的最小采樣保持時間ts&h確定的，具體計算方法為：其中Uthd1為電壓矢量閾值一，Uamp為基本電壓矢量的最大幅值。8、如權利要求7所述的繞組三相電流的重構方法，其特征在于，在所述步驟S40中，閾值二是由功率器件的通斷延遲時間td、電流建立時間tset及AD轉換器的最小采樣保持時間ts&h確定的，具

7、體計算方法為：其中Uthd2為電壓矢量閾值二，Uamp為基本電壓矢量的最大幅值。9、如權利要求8所述的繞組三相電流的重構方法，其特征在于，在所述步驟S60中，還包括以下步驟：S601、根據(jù)交流電機的電壓平衡方程：建立開環(huán)的電流觀測器：其中ua、ub、uc為三相電壓，ia、ib、ic為三相電流，ea、eb、ec為相反電勢，R為電機繞組電阻，L為繞組電感；S602、若已知電機的轉子位置及角速度，便可由下式計算得到三相反電勢：其中ea、eb、ec為相反電勢，ke為反電勢系數(shù)，r為轉子角速度，為轉子位置角；S603、在開環(huán)觀測器的基礎上建立閉環(huán)滑模電流感測器：S604、通過采樣獲得一相繞組的電流，此時

8、按下式的估算方式獲得電流誤差值，以A相電流為例：其中Z為滑模開關控制量，k為控制增益，ia、ib、ic為實際三相電流，îa、îb、îc為觀測得到的三相電流。說 明 書一種交流伺服電機系統(tǒng)及其繞組三相電流的重構方法技術領域本發(fā)明涉及一種交流電機驅動與控制技術領域，特別是涉及一種交流伺服電機系統(tǒng)及其繞組三相電流的重構方法。背景技術隨著微處理器技術、功率電子器件、電機制造工藝的發(fā)展及高性能稀土永磁材料的不斷涌現(xiàn)，交流伺服系統(tǒng)得到了長足發(fā)展。同時隨著以矢量控制算法為典型的現(xiàn)代控制理論的提出，交流伺服系統(tǒng)在控制性能上已經(jīng)超越傳統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)。并且與其他類型電機相比，永磁同步

9、電機的可靠性、功率密度的多方面都更勝一籌，也因這些優(yōu)點在工業(yè)領域得到了普遍應用，如機器人控制、數(shù)控機床、辦公自動化、軍用武器跟隨系統(tǒng)及航空航天領域等。但由于永磁同步電機伺服系統(tǒng)價格的高昂，一定程度限制了其應用領域的拓寬。因此，如何在保證交流伺服系統(tǒng)高性能的同時，降低其成本具有重大意義。在采用矢量控制的永磁同步電機伺服系統(tǒng)中，除需要微控制器和功率電路外，還需要實時完成對轉子位置、速度及繞組電流的檢測以完成閉環(huán)控制。對轉子位置檢測的位置傳感器主要包括：光電碼盤、旋轉變壓器、線性霍爾器件等。但這些傳感器的應用無疑增加了系統(tǒng)的成本，提高了信號處理電路的復雜性。因此，上世紀80年代人們開始致力于無位置傳

10、感器技術的研究，并提出了一系列位置檢測方法，基本完成了從高速到低速運行區(qū)域的解決方案。在省去位置傳感器的同時，如何降低電流傳感器的數(shù)量成為下一步的研究重點。傳統(tǒng)電機相電流檢測采用在繞組端加裝兩到三個電流傳感器，不僅增加了系統(tǒng)體積、提高了成本、使信號調理電路復雜化，而且多個傳感器之間的產品差異也會引入誤差。為了獲得電機的相電流，傳統(tǒng)方法采用在繞組端加裝兩到三個電流傳感器，檢測相繞組電流，另外在直流母線側加裝一個電流傳感器作為保護信號，不僅極大地增加了系統(tǒng)體積、提高了成本、使信號調理電路復雜化，而且多個傳感器之間的產品差異也給電流檢測帶來誤差。近年來，基于單電流傳感器的相電流重構算法不斷涌現(xiàn)，但都

11、是基于母線電流傳感器的電流重構，存在致命的盲區(qū)。因此，基于單電流傳感器的交流伺服電機相電流重構技術具有重要的研究價值和工程意義。發(fā)明內容針對上述問題中存在的不足之處，本發(fā)明所要解決的技術問題是：在電機相電流檢測過程中，由于使用了數(shù)量較多的電流傳感器，而導致的系統(tǒng)體積過大、成本增加、信號調理電路結構復雜，以及多個電流傳感器之間由于產品差異也會給電流檢測帶來誤差的缺點。為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種交流伺服電機系統(tǒng)，包括三相全橋逆變控制拓撲結構和永磁同步電機，所述永磁同步電機與所述三相全橋逆變控制拓撲結構的交流輸出端連接，其中，所述三相全橋逆變控制拓撲結構包括三相橋式逆變電路、直流電源和電流傳感

12、器，所述直流電源與所述三相橋式逆變電路的直流側并聯(lián)，所述三相橋式逆變電路包括A相、B相和C相，所述電流傳感器用于檢測流經(jīng)所述B相上橋臂和所述C相上橋臂的電流和、以及檢測流所述C相下橋臂的電流值；或檢測流經(jīng)所述C相上橋臂的電流值、以及檢測流經(jīng)所述B相下橋臂和所述C相下橋臂的電流和。優(yōu)選的，所述電流傳感器的一端連接在所述A相上橋臂和所述B相上橋臂的連接線上，以檢測流經(jīng)所述B相上橋臂和所述C相上橋臂的電流和，所述電流傳感器的另一端連接在所述B相下橋臂和所述C相下橋臂的連接線上，以檢測流經(jīng)所述C相下橋臂的電流值。優(yōu)選的，所述電流傳感器的一端連接在所述B相上橋臂和所述C相上橋臂的連接線上，以檢測流經(jīng)所述

13、C相上橋臂的電流值，所述電流傳感器的另一端連接在所述A相下橋臂和所述B相下橋臂的連接線上，以檢測流經(jīng)所述B相下橋臂和所述C相下橋臂的電流和。優(yōu)選的，所述電流傳感器為電氣隔離型電流傳感器，所述電氣隔離型電流傳感器為霍爾效應傳感器和電流互感器中的一種。優(yōu)選的，所述三相橋式逆變電路的每一相橋臂由兩個串聯(lián)的全控型開關器件和分別與兩個所述全控型開關器件反并聯(lián)的二極管組成，所述全控型開關器件為絕緣柵雙極型晶體管。一種基于交流伺服電機系統(tǒng)的繞組三相電流的重構方法，其中，包括以下步驟：S10、采用電壓空間矢量實現(xiàn)矢量控制方式，通過給定的兩相正交坐標系下的電壓U、U經(jīng)Clarke逆變換得到三相對稱繞組電壓Ua、

14、Ub、Uc；S20、計算三相對稱繞組電壓的輸出電壓矢量中兩個電壓矢量的幅值之和，若不超過閾值一，則執(zhí)行步驟S30；若兩個電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則執(zhí)行步驟S40；S30、在每個開關周期內的兩個零矢量的作用時段，分別通過AD轉換器采樣電流傳感器的輸出值，從而得到三相繞組的電流值；S40、若兩個電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則根據(jù)當前電壓矢量的位置選擇采樣方式，若開關周期內的兩個電壓矢量的幅值都大于閾值二，則執(zhí)行步驟S50；若線性調制區(qū)域內出現(xiàn)輸出電壓矢量中，兩個電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則根據(jù)當前電壓矢量的位置選擇采樣方式，若開關周期內的兩個電壓矢量的幅值任何一個小于閾值二，則執(zhí)行步驟

15、S60；S50、在直流母線側安裝另一個單電流傳感器，在兩個電壓矢量作用時段，分別通過AD轉換器采樣母線上電流傳感器的輸出值，并根據(jù)電壓矢量所處的扇區(qū)位置，確定兩次采樣對應的電流值，從而得到三相繞組的電流值；S60、采用滑模電流觀測器加反饋校正的方式獲得三相繞組電流。優(yōu)選的，在所述步驟S20中，閾值一是由功率器件的通斷延遲時間td、電流建立時間tset及AD轉換器的最小采樣保持時間ts&h確定的，具體計算方法為：其中Uthd1為電壓矢量閾值一，Uamp為基本電壓矢量的最大幅值。優(yōu)選的，在所述步驟S40中，閾值二是由功率器件的通斷延遲時間td、電流建立時間tset及AD轉換器的最小采樣保持

16、時間ts&h確定的，具體計算方法為：其中Uthd2為電壓矢量閾值二，Uamp為基本電壓矢量的最大幅值。優(yōu)選的，在所述步驟S60中，還包括以下步驟：S601、根據(jù)交流電機的電壓平衡方程：建立開環(huán)的電流觀測器：其中ua、ub、uc為三相電壓，ia、ib、ic為三相電流，ea、eb、ec為相反電勢，R為電機繞組電阻，L為繞組電感；S602、若已知電機的轉子位置及角速度，便可由下式計算得到三相反電勢：其中ea、eb、ec為相反電勢，ke為反電勢系數(shù)，r為轉子角速度，為轉子位置角；S603、在開環(huán)觀測器的基礎上建立閉環(huán)滑模電流感測器：S604、通過采樣獲得一相繞組的電流，此時按下式的估算方式獲得

17、電流誤差值，以A相電流為例：其中Z為滑模開關控制量，k為控制增益，ia、ib、ic為實際三相電流，îa、îb、îc為觀測得到的三相電流。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點： 本發(fā)明只采用一個電流傳感器，在對電機相電流檢測過程時，通過連接不同的相位橋臂的連接線，以實現(xiàn)檢測相應的電流值與電流和的效果；另外，由于只采用一個電流傳感器，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明可減少電流傳感器的使用數(shù)量，減小系統(tǒng)體積，降低成本，使信號調理電路結構簡單、清晰，避免由于多個電流傳感器之間存在產品差異而給電流檢測帶來誤差，從而提高驅動控制系統(tǒng)的可靠性?；诒景l(fā)明中的三相電流重構方法，在對電機相電流

18、檢測過程時，只需要將所使用的一個電流傳感器與不同相位橋臂的連接線相連接，使可以檢測出相應的電流值與電流和，以完成對相關的相電流重構，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明可減少電流傳感器的使用數(shù)量，減小系統(tǒng)體積，降低成本，使信號調理電路結構簡單、清晰，避免由于多個電流傳感器之間存在產品差異而給電流檢測帶來誤差，從而提高驅動控制系統(tǒng)的可靠性。附圖說明圖1 是本發(fā)明的實施例電路結構示意圖；圖2 是本發(fā)明的又一實施例電路結構示意圖；圖3 是本發(fā)明的AD轉換器對電流傳感器具體的采樣時刻說明示意圖；圖4 是本發(fā)明的采用母線電流傳感器進行電流重構的盲區(qū)示意圖；圖5 是本發(fā)明的采用圖1或圖2電流傳感器安裝方式進行電流重構的

19、盲區(qū)示意圖；圖6 是本發(fā)明的采用圖1或圖2電流傳感器安裝方式及母線電流傳感器整合進行電流重構的盲區(qū)示意圖；圖7 是本發(fā)明的繞組三相電流的重構方法流程圖；圖8 是本發(fā)明的利用觀測器獲得相電流的仿真結果示意圖。主要元件符號說明：1-直流電源 2-三相橋式逆變電路 3-電流傳感器4-永磁同步電機具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結合附圖與實例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但所舉實例不作為對本發(fā)明的限定。如圖1所示，本發(fā)明的實施例包括三相全橋逆變控制拓撲結構和永磁同步電機4，永磁同步電機4與三相全橋逆變控制拓撲結構的交流輸出端連接，其中，三相全橋逆變控制拓撲結構包括三相橋式逆

20、變電路2、直流電源1和電流傳感器3，直流電源1與三相橋式逆變電路2的直流側并聯(lián)，三相橋式逆變電路2包括三相，即A相、B相和C相，電流傳感器3的一端連接在A相上橋臂和B相上橋臂的連接線上，檢測流經(jīng)B相上橋臂和C相上橋臂的電流和，另一端連接在B相下橋臂和C相下橋臂的連接線上，檢測流經(jīng)C相下橋臂的電流值。電流傳感器3為電氣隔離型電流傳感器，電氣隔離型電流傳感器為霍爾效應傳感器和電流互感器中的一種。三相橋式逆變電路2的每一相橋臂由兩個串聯(lián)的全控型開關器件和分別與兩個全控型開關器件反并聯(lián)的二極管組成，全控型開關器件為絕緣柵雙極型晶體管。如圖2所示，本實施例中，包括三相全橋逆變控制拓撲結構和永磁同步電機4

21、，永磁同步電機4與三相全橋逆變控制拓撲結構的交流輸出端連接，其中，三相全橋逆變控制拓撲結構包括三相橋式逆變電路2、直流電源1和電流傳感器3，直流電源1與三相橋式逆變電路2的直流側并聯(lián)，三相橋式逆變電路2包括三相，即A相、B相和C相，電流傳感器3的一端連接在B相上橋臂和C相上橋臂的連接線上，檢測流經(jīng)C相上橋臂的電流值，另一端連接在A相下橋臂和B相下橋臂的連接線上，檢測流經(jīng)B相下橋臂和C相下橋臂的電流和。電流傳感器3為電氣隔離型電流傳感器，電氣隔離型電流傳感器為霍爾效應傳感器和電流互感器中的一種。三相橋式逆變電路2的每一相橋臂由兩個串聯(lián)的全控型開關器件和分別與兩個全控型開關器件反并聯(lián)的二極管組成，

22、全控型開關器件為絕緣柵雙極型晶體管。如圖7所示，本實施例提供一種繞組三相電流的重構方法，其中，包括以下步驟：S10、采用電壓空間矢量實現(xiàn)矢量控制方式，通過給定的兩相正交坐標系下的電壓U、U經(jīng)Clarke逆變換得到三相對稱繞組電壓Ua、Ub、Uc：通過Sign(Ua)+2×Sign(Ub)+4×Sign(Uc)計算得到輸出電壓矢量所處的扇區(qū)標號，其中Sign()為符號函數(shù)。S20、計算三相對稱繞組電壓的輸出電壓矢量中兩個有效基本電壓矢量的幅值之和，若不超過閾值一，則執(zhí)行步驟S30；若兩個有效基本電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則執(zhí)行步驟S40；閾值一是由功率器件的通斷延遲時間t

23、d、電流建立時間tset及AD轉換器的最小采樣保持時間ts&h確定的，具體計算方法為：其中Uthd1為電壓矢量閾值一，Uamp為基本電壓矢量的最大幅值。S30、計算輸出電壓矢量中兩個有效基本電壓矢量的幅值之和，若不超過閾值一，則如圖5所示的非陰影區(qū)域，在每個開關周期內的U0和U7兩個零矢量的作用時段，在如圖3所示中的isam1和isam2時刻，分別通過AD轉換器采樣電流傳感器的輸出值，其中在U0時段采樣的電流值即為C相電流值，在U7時段采樣的電流值即為B、C相電流，進而得到B相電流值，根據(jù)基爾霍夫電流定律ia+ib+ic=0可計算得到A相電流值，從而得到三相繞組的電流值。S40、若兩個

24、有效基本電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則根據(jù)當前電壓矢量的位置選擇采樣方式，若開關周期內的兩個有效基本電壓矢量的幅值都大于閾值二，則執(zhí)行步驟S50；若線性調制區(qū)域內出現(xiàn)輸出電壓矢量中，兩個有效基本電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則根據(jù)當前電壓矢量的位置選擇采樣方式，若開關周期內的兩個有效基本電壓矢量的幅值任何一個小于閾值二，則執(zhí)行步驟S60；閾值二是由功率器件的通斷延遲時間td、電流建立時間tset及AD轉換器的最小采樣保持時間ts&h確定的，具體計算方法為：其中Uthd2為電壓矢量閾值二，Uamp為基本電壓矢量的最大幅值。S50、若兩個有效基本電壓矢量的幅值之和超過閾值一，則根據(jù)當前電壓矢量的位置選擇采樣方式，若開關周期內的兩個有效基本電壓矢量的幅值都大于閾值二，則如圖4所示中的非陰影區(qū)域，在直流母線側安裝另一個單電流傳感器，電氣隔離型與非隔離型均可，在兩個有效基本電壓矢量作用時段，即如圖3所示中isam3和isam4時刻，分別通過AD轉換器采樣母線上電流傳感器的輸出值，并根據(jù)電壓矢量所處的扇區(qū)位置，確定兩次采樣對應的電流值，查下表確定兩次采樣對應的電流值。以第三扇區(qū)為例，