[发明专利]一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法。

背景技术

电动机控制技术是伺服驱动控制的核心。从发展的历程来看，电动机控制技术与电动机、大功率器件、微电子器件、传感器、微型计算机以及控制理论的发展密切相关。1971年德国学者Blaschke和Hasse相继提出了交流电动机的矢量变换控制的新思想、新理论和新技术，它的出现对交流电动机控制技术的研究具有划时代的意义。因为这种通过磁场定向构成的矢量变换交流闭环控制系统，其控制性能完全可以与直流系统相媲美。矢量控制是在机电能量转换、电机统一理论和空间矢量理论基础上发展起来的，它首先应用于三相感应电动机，很快扩展到三相永磁同步电动机(PMSM)，其基本原理是通过坐标变换，在转子磁场定向的同步坐标系上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制，使其具有和传统直流电动机相同的运行性能。二十世纪90年代后随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速度、高集成度、低成本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制与直接转矩控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也变得简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、可靠性及实用性。近几年，在先进的数控交流伺服系统中，多家公司都推出了专门用于电机控制的DSP芯片，DSP能迅速完成系统速度环、电流环以及位置环的精密快速调节和复杂的矢量控制，对于表贴式的永磁同步电机一般采用直轴电流i_d = 0的方法进一步对永磁同步电机进行线性化解耦。目前，永磁同步电机(PMSM)矢量控制系统普遍采用速度和电流双闭环控制方法，对速度的控制大部分利用传统的PI控制器，PI控制虽然算法简单，参数调整方便，有一定的控制精度，但PI控制的本质是一种线性控制，而被控对象PMSM具有非线性特性并伴有参变量的变化，使得PI控制无法保持设计时所期望的性能指标，也无法从根本上解决动态品质和稳态精度之间的矛盾，系统鲁棒性差。

针对上述现有技术缺点，中国专利CN202103620U公开一种基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统，该系统的不足是：（1）系统的动态性能没有得到改善；（2）由于增加了几个参数，调试会更加困难；（3）两种控制的切换不合理，容易造成系统的振荡。另外现有技术中电压矢量脉宽调制一般采用传统的SVPWM算法，该算法涉及大量的三角函数和求根运算，计算比较复杂，而且随着电平数的增加，基矢量个数增多，开关的冗余状态也进一步增多，传统SVPWM算法实现整个过程都十分繁琐。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法，能够有效提高永磁同步电机控制器的动态性能，稳态精度和鲁棒性，并能达到控制的快速性和强的抗负载扰动能力。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，包括依次连接的上位机、控制模块、检测驱动模块和功率模块，所述控制模块包括DSP硬件平台与置于所述DSP硬件平台上的软件部；所述检测驱动模块包括驱动模块、电流检测模块和转速位置检测模块，所述功率模块包括三相逆变器和永磁同步电机，所述三相逆变器的三路输出接入所述永磁同步电机，所述三相逆变器输出至所述电流检测模块，所述永磁同步电机输出至所述转速位置检测模块，所述转速位置检测模块输出所述永磁同步电机的转速位置信号，所述电流检测模块接收所述永磁同步电机的定子电流信号；所述DSP硬件平台上的软件部包括位置控制模块、速度控制模块、电流控制模块和电压矢量调制模块，通过采用位置环、速度环和电流环的三闭环系统来进行控制。

上述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，所述DSP硬件平台包括CAN模块、PWM模块、ADC模块和QEP模块，所述驱动模块输入和所述PWM模块相连，所述电流检测模块输出与所述ADC模块相连，所述转速位置检测模块输出与所述QEP模块相连，所述驱动模块接收所述PWM模块发出的PWM调试波形来控制所述三相逆变器，对所述永磁同步电机进行矢量控制。

上述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，所述控制模块采用的主控芯片为TMS320F28335芯片。

上述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，所述电流检测模块为霍尔电流传感器。

上述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，所述转速位置检测模块为光电编码器。