本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，特別是一種陀螺永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

高精度三浮陀螺通過采用永磁電機(jī)替代磁滯電機(jī)，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，減小了電機(jī)功率損耗，提高了陀螺精度。永磁電機(jī)一般需要一套轉(zhuǎn)子位置傳感器，如光柵、旋變等，以實(shí)現(xiàn)換相，但受電機(jī)引線和陀螺空間體積的限制，陀螺永磁電機(jī)無法安裝位置傳感器，因此國內(nèi)外針對陀螺永磁電機(jī)一般采用無位置傳感器控制方法。

現(xiàn)有的陀螺永磁電機(jī)大多采用無刷直流電機(jī)，其主要原因是驅(qū)動(dòng)控制方法簡單，且絕大部分采取了PWM方波驅(qū)動(dòng)?！盁o刷直流陀螺電機(jī)的高精度恒速控制”(中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)第11卷第6期2003年12月)一文針對無刷直流陀螺電機(jī)采用了三相三態(tài)的PWM驅(qū)動(dòng)方法?！盎贒SP和ML4428無刷直流陀螺電機(jī)鎖相穩(wěn)速控制的研究”(中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)第13卷第4期2005年8月)一文采用三相六拍的方法對無刷直流陀螺電機(jī)進(jìn)行PWM驅(qū)動(dòng)。由于陀螺永磁電機(jī)的定子大多采用無鐵心結(jié)構(gòu)，因而導(dǎo)致定子繞組電感很小，所以采用PWM方波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)定子電流諧波會(huì)增多，這會(huì)引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增大，從而不利于進(jìn)一步提高陀螺永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。

針對永磁同步電機(jī)無傳感器控制，中國專利CN201010508205.2名稱為永磁同步電機(jī)的無傳感器控制系統(tǒng)提出了滑模觀測器法，“基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PMSM速度和位置自適應(yīng)觀測器的設(shè)計(jì)”(中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)第12卷第22期2002年12月)一文提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，“灰色預(yù)測法PMSM無傳感器控制系統(tǒng)”(電機(jī)與控制學(xué)報(bào)第6卷第11期2007年11月)，中國專利CN201310289582.5名稱為基于EKF的永磁同步電機(jī)無傳感器矢量控制系統(tǒng)提出了擴(kuò)展卡爾曼濾波法，“兩種高頻信號(hào)注入法的無傳感器運(yùn)行研究”(中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)第5卷第25期2005年3月)一文提出了高頻信號(hào)注入法。雖然智能算法具有一定的普遍適用性，但是其對應(yīng)的算法編程一般較為復(fù)雜，從而難以工程化應(yīng)用；與智能算法相比，高頻信號(hào)注入法實(shí)現(xiàn)相對簡單，但它依賴于電機(jī)轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)，而陀螺永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常采用隱極式結(jié)構(gòu)且定子無鐵心，所以該方法難以被利用。此外，常規(guī)的PID控制精度難以滿足高精度陀螺對電機(jī)轉(zhuǎn)速極高穩(wěn)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(jī)的極高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種陀螺永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)，針對現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)無傳感器控制方法復(fù)雜，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性不高的缺點(diǎn)，通過采用速度閉環(huán)和電流閉環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制，對反電勢過零脈沖信號(hào)進(jìn)行倍頻產(chǎn)生正弦波電流發(fā)生器的頻率給定，將電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差作為正弦電流幅值給定，對正弦電流和相反電勢信號(hào)進(jìn)行相位鎖定，以實(shí)現(xiàn)陀螺永磁同步電機(jī)效率最大化，同時(shí)將代表電機(jī)轉(zhuǎn)速的方波信號(hào)與給定方波信號(hào)進(jìn)行頻率鎖定，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)極高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種陀螺永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)，包括速度環(huán)、電流環(huán)，速度環(huán)包括鎖相環(huán)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(huán)包括鎖相環(huán)Ⅰ、正弦波電流發(fā)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(jī)輸出的端電壓信號(hào)后得到相反電勢信號(hào)，并將相反電勢信號(hào)送至相反電勢過零比較電路，其中，相反電勢提取電路的構(gòu)造基于外部陀螺永磁同步電機(jī)的端電壓方程；

相反電勢過零比較電路，對相反電勢信號(hào)進(jìn)行過零比較得到過零脈沖信號(hào)，并將過零脈沖信號(hào)分別送至電流環(huán)中的鎖相環(huán)Ⅰ、速度環(huán)中的分頻模塊；

分頻模塊，接收過零脈沖信號(hào)后進(jìn)行分頻得到機(jī)械頻率方波信號(hào)并送至鎖相環(huán)Ⅱ；

鎖相環(huán)Ⅱ，從外部獲取給定方波，然后對機(jī)械頻率方波信號(hào)與給定方波信號(hào)進(jìn)行鑒相、低通濾波，得到代表陀螺永磁同步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與陀螺永磁同步電機(jī)參考轉(zhuǎn)速差的數(shù)字量，并將代表轉(zhuǎn)速差的數(shù)字量送至電流環(huán)中的正弦波電流發(fā)生器，作為正弦電流幅值給定；所述的給定方波信號(hào)的頻率等于陀螺永磁同步電機(jī)參考轉(zhuǎn)速對應(yīng)的機(jī)械頻率；

鎖相環(huán)Ⅰ，對過零脈沖信號(hào)進(jìn)行倍頻產(chǎn)生頻率給定并送至正弦波電流發(fā)生器；同時(shí)對頻率給定、過零脈沖信號(hào)進(jìn)行鎖相，以使得給定正弦電流與相反電勢信號(hào)的相位對齊；其中，頻率給定與過零脈沖信號(hào)的倍頻數(shù)等于外部陀螺永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子0至360度電角度的等分?jǐn)?shù)；

正弦波電流發(fā)生器，接收頻率給定后使用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生正弦表尋址，根據(jù)正弦表尋址查找正弦表得到外部陀螺永磁同步電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的正弦值，然后將當(dāng)前正弦值與正弦電流幅值給定的乘積送至DA轉(zhuǎn)換器；所述的計(jì)數(shù)器為周期性計(jì)數(shù)，最大計(jì)數(shù)值等于外部陀螺永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子0至360度電角度的等分?jǐn)?shù)；所述的正弦表包括0至360度所有角度對應(yīng)的正弦值；

DA轉(zhuǎn)換器，對正弦電流值進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到正弦電流波形并送至電流控制器；

電流檢測電路，采集外部陀螺永磁同步電機(jī)輸出的相電流信號(hào)并送至電流控制器；

電流控制器，對相電流信號(hào)、給定正弦電流波進(jìn)行比例積分運(yùn)算，得到的運(yùn)算結(jié)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(yùn)算結(jié)果進(jìn)行功率放大后送至外部陀螺永磁同步電機(jī)，完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。

所述的鎖相環(huán)Ⅰ包括倍頻單元、鎖相單元；倍頻單元，對過零脈沖信號(hào)進(jìn)行倍頻產(chǎn)生頻率給定信號(hào)送至正弦波電流發(fā)生器，鎖相單元對頻率給定信號(hào)和過零脈沖信號(hào)進(jìn)行鎖相，以使得正弦電流與相反電勢信號(hào)的相位對齊。

所述的鎖相環(huán)Ⅱ包括鑒相單元、低通濾波單元；鑒相單元，從外部獲取給定方波，然后對機(jī)械頻率方波信號(hào)與給定方波信號(hào)進(jìn)行鑒相，將鑒相得到的數(shù)據(jù)信號(hào)送至低通濾波單元進(jìn)行低通濾波，得到代表陀螺永磁同步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與陀螺永磁同步電機(jī)參考轉(zhuǎn)速差的數(shù)字量，并將代表轉(zhuǎn)速差的數(shù)字量送至電流環(huán)中的正弦波電流發(fā)生器，作為正弦電流幅值給定。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明控制系統(tǒng)通過將基于鎖相環(huán)的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制技術(shù)、線性驅(qū)動(dòng)技術(shù)、基于鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法進(jìn)行結(jié)合，解決了高速陀螺永磁同步電機(jī)無位置傳感器高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性控制難題，大大降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，與傳統(tǒng)的控制方法相比，使陀螺永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性提高了一個(gè)數(shù)量級；

(2)本發(fā)明控制系統(tǒng)通過采用電流鎖相環(huán)將定子相電流與相反電勢的相位進(jìn)行對齊，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有陀螺永磁同步電機(jī)工作效率最大化的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種陀螺永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖；

圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)中鎖相環(huán)Ⅰ組成；

圖3為本發(fā)明控制系統(tǒng)中鎖相環(huán)Ⅱ組成。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種陀螺永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明系統(tǒng)陀螺電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)與無刷直流電機(jī)的不同之處在于永磁同步電機(jī)的空載反電勢波形為正弦波，根據(jù)電機(jī)工作原理，永磁同步電機(jī)的最佳驅(qū)動(dòng)方式為正弦波驅(qū)動(dòng)。在工業(yè)應(yīng)用中永磁同步電機(jī)正弦波驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式絕大多數(shù)采用了空間矢量脈寬調(diào)制或正弦脈寬調(diào)制等數(shù)字方法，該方法優(yōu)點(diǎn)是控制實(shí)現(xiàn)簡單，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生電流諧波，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，影響轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，因而難以滿足陀螺這種高精密儀表對轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性極高的要求，因此本發(fā)明系統(tǒng)采用正弦波線性驅(qū)動(dòng)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(jī)的極高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性控制方法，所以本發(fā)明系統(tǒng)提出基于全數(shù)字鎖相環(huán)的陀螺永磁同步電機(jī)無傳感器控制方法，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示為本發(fā)明陀螺永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖，本發(fā)明系統(tǒng)包括速度環(huán)、電流環(huán)，速度環(huán)包括鎖相環(huán)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(huán)包括鎖相環(huán)Ⅰ、正弦波電流發(fā)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(jī)輸出的端電壓信號(hào)，陀螺永磁同步電機(jī)輸出的端電壓信號(hào)經(jīng)過相反電勢提取電路得到相反電勢信號(hào)，相反電勢過零比較電路對相反電勢信號(hào)進(jìn)行過零比較得到過零脈沖信號(hào)，過零脈沖信號(hào)分別送至電流環(huán)中的鎖相環(huán)Ⅰ、速度環(huán)中的分頻模塊，其中，相反電勢提取電路的構(gòu)造基于陀螺永磁同步電機(jī)的端電壓方程。

分頻模塊，接收過零脈沖信號(hào)后進(jìn)行分頻得到機(jī)械頻率方波信號(hào)并送至鎖相環(huán)Ⅱ；鎖相環(huán)Ⅱ，從外部獲取給定方波，然后對機(jī)械頻率方波信號(hào)與給定方波信號(hào)進(jìn)行鑒相、低通濾波，得到代表陀螺永磁同步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與陀螺永磁同步電機(jī)參考轉(zhuǎn)速差的數(shù)字量，并將代表轉(zhuǎn)速差的數(shù)字量送至電流環(huán)中的正弦波電流發(fā)生器，作為正弦電流幅值給定；其中，給定方波信號(hào)的頻率等于陀螺永磁同步電機(jī)參考轉(zhuǎn)速對應(yīng)的機(jī)械頻率。

鎖相環(huán)Ⅰ，對過零脈沖信號(hào)進(jìn)行倍頻產(chǎn)生頻率給定并送至正弦波電流發(fā)生器；同時(shí)對頻率給定和過零脈沖信號(hào)進(jìn)行鎖相，以使得給定正弦電流與相反電勢信號(hào)的相位對齊，從而使得待驅(qū)動(dòng)的陀螺永磁同步電機(jī)的效率最大。

正弦波電流發(fā)生器，接收頻率給定經(jīng)過計(jì)數(shù)器后產(chǎn)生正弦表尋址，正弦表尋址送入正弦表后查找出當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的正弦值，正弦值與正弦電流幅值給定的乘積送至DA轉(zhuǎn)換器；其中，計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值等于轉(zhuǎn)子0至360度電角度的等分?jǐn)?shù)，正弦表包括所有0至360度電角度對應(yīng)的正弦值。

DA轉(zhuǎn)換器，對給定正弦電流值進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到給定正弦電流波形并送至電流控制器。

電流檢測電路，采集外部陀螺永磁同步電機(jī)輸出的相電流信號(hào)并送至電流控制器。

電流控制器，對相電流信號(hào)、給定正弦電流波進(jìn)行比例積分運(yùn)算，得到的運(yùn)算結(jié)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(yùn)算結(jié)果進(jìn)行功率放大后送至外部陀螺永磁同步電機(jī)，完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。

如圖2所示為鎖相環(huán)Ⅰ組成，鎖相環(huán)Ⅰ包括倍頻單元、鎖相單元；倍頻單元，對過零脈沖信號(hào)進(jìn)行倍頻產(chǎn)生頻率給定并送至正弦波電流發(fā)生器，鎖相單元對頻率給定和過零脈沖信號(hào)進(jìn)行鎖相，以使得給定正弦電流與相反電勢信號(hào)的相位對齊，從而使得待驅(qū)動(dòng)的陀螺永磁同步電機(jī)的效率最大。

附圖3所示為鎖相環(huán)Ⅱ組成，鎖相環(huán)Ⅱ包括鑒相單元、低通濾波單元；鑒相單元，從外部獲取給定方波，然后對機(jī)械頻率方波信號(hào)與給定方波信號(hào)進(jìn)行鑒相，將鑒相得到的數(shù)據(jù)信號(hào)送至低通濾波單元進(jìn)行低通濾波，得到代表陀螺永磁同步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與陀螺永磁同步電機(jī)參考轉(zhuǎn)速差的數(shù)字量，并將代表轉(zhuǎn)速差的數(shù)字量送至電流環(huán)中的正弦波電流發(fā)生器，作為正弦電流幅值給定。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。