一种交流伺服电机系统及其绕组三相电流的重构方法(发明)

1说明书摘要本发明提供一种交流伺服电机系统及其绕组三相电流的重构方法，涉及一种交流电机驱动与控制技术领域。该发明三相全桥逆变控制拓扑结构和永磁同步电机，永磁同步电机与三相全桥逆变控制拓扑结构的交流输出端连接，其中，三相全桥逆变控制拓扑结构包括三相桥式逆变电路、直5流电源和电流传感器，直流电源与三相桥式逆变电路的直流侧并联，三相桥式逆变电路包括A相、B相和C相，电流传感器用于检测流经B相上桥臂和C相上桥臂的电流和、以及检测流C相下桥臂的电流值；或检测流经C相上桥臂的电流值、以及检测流经B相下桥臂和C相下桥臂的电流和。本发明能够减少电流传感器的使用数量，减小系统体积，降低成本，提10高驱动控制系统的可靠性。1摘要附图1权利要求书1、一种交流伺服电机系统，包括三相全桥逆变控制拓扑结构和永磁同步电机，所述永磁同步电机与所述三相全桥逆变控制拓扑结构的交流输出端连接，其特征在于，所述三相全桥逆变控制拓扑结构包括三相桥式逆变电路、直流电源和电流传感器，所述直流电源与所述三相桥式逆变电路5的直流侧并联，所述三相桥式逆变电路包括A相、B相和C相，所述电流传感器用于检测流经所述B相上桥臂和所述C相上桥臂的电流和、以及检测流所述C相下桥臂的电流值；或检测流经所述C相上桥臂的电流值、以及检测流经所述B相下桥臂和所述C相下桥臂的电流和。2、如权利要求1所述的交流伺服电机系统，其特征在于，所述电流10传感器的一端连接在所述A相上桥臂和所述B相上桥臂的连接线上，以检测流经所述B相上桥臂和所述C相上桥臂的电流和，所述电流传感器的另一端连接在所述B相下桥臂和所述C相下桥臂的连接线上，以检测流经所述C相下桥臂的电流值。3、如权利要求1所述的交流伺服电机系统，其特征在于，所述电流15传感器的一端连接在所述B相上桥臂和所述C相上桥臂的连接线上，以检测流经所述C相上桥臂的电流值，所述电流传感器的另一端连接在所述A相下桥臂和所述B相下桥臂的连接线上，以检测流经所述B相下桥臂和所述C相下桥臂的电流和。4、如权利要求2或3所述的交流伺服电机系统，其特征在于，所述20电流传感器为电气隔离型电流传感器，所述电气隔离型电流传感器为霍尔效应传感器和电流互感器中的一种。5、如权利要求4所述的交流伺服电机系统，其特征在于，所述三相桥式逆变电路的每一相桥臂由两个串联的全控型开关器件和分别与两个所述全控型开关器件反并联的二极管组成，所述全控型开关器件为绝缘栅25双极型晶体管。6、一种基于权利要求2或3中所述的交流伺服电机系统的绕组三相2电流的重构方法，其特征在于，包括以下步骤：S10、采用电压空间矢量实现矢量控制方式，通过给定的两相正交坐标系下的电压Uα、Uβ经Clarke逆变换得到三相对称绕组电压Ua、Ub、Uc；S20、计算三相对称绕组电压的输出电压矢量中两个电压矢量的幅值之和，若不超过阈值一，则执行步骤S30；若两个电压矢量的幅值之和超5过阈值一，则执行步骤S40；S30、在每个开关周期内的两个零矢量的作用时段，分别通过AD转换器采样电流传感器的输出值，从而得到三相绕组的电流值；S40、若两个电压矢量的幅值之和超过阈值一，则根据当前电压矢量的位置选择采样方式，若开关周期内的两个电压矢量的幅值都大于阈值10二，则执行步骤S50；若线性调制区域内出现输出电压矢量中，两个电压矢量的幅值之和超过阈值一，则根据当前电压矢量的位置选择采样方式，若开关周期内的两个电压矢量的幅值任何一个小于阈值二，则执行步骤S60；S50、在直流母线侧安装另一个单电流传感器，在两个电压矢量作用15时段，分别通过AD转换器采样母线上电流传感器的输出值，并根据电压矢量所处的扇区位置，确定两次采样对应的电流值，从而得到三相绕组的电流值；S60、采用滑模电流观测器加反馈校正的方式获得三相绕组电流。7、如权利要求6所述的绕组三相电流的重构方法，其特征在于，在20所述步骤S20中，阈值一是由功率器件的通断延迟时间td、电流建立时间tset及AD转换器的最小采样保持时间ts&h确定的，具体计算方法为：2&1()sdsetshthdampsttttUUt其中Uthd1为电压矢量阈值一，Uamp为基本电压矢量的最大幅值。8、如权利要求7所述的绕组三相电流的重构方法，其特征在于，在25所述步骤S40中，阈值二是由功率器件的通断延迟时间td、电流建立时间tset及AD转换器的最小采样保持时间ts&h确定的，具体计算方法为：32&dsetshthdampstttUUt其中Uthd2为电压矢量阈值二，Uamp为基本电压矢量的最大幅值。9、如权利要求8所述的绕组三相电流的重构方法，其特征在于，在所述步骤S60中，还包括以下步骤：S601、根据交流电机的电压平衡方程：5aasaabbsbbccsccdiuRiLedtdiuRiLedtdiuRiLedt建立开环的电流观测器：()()()asaaabsbbbcscccdiRiLuedtLdiRiLuedtLdiRiLuedtL其中ua、ub、uc为三相电压，ia、ib、ic为三相电流，ea、eb、ec为相反电势，R为电机绕组电阻，L为绕组电感；10S602、若已知电机的转子位置及角速度，便可由下式计算得到三相反电势：sinsin(120)sin(240)aerbercerekekek其中ea、eb、ec为相反电势，ke为反电势系数，ωr为转子角速度，θ为转子位置角；15S603、在开环观测器的基础上建立闭环滑模电流感测器：()()()asaaaabsbbbbcsccccdiRiLueZdtLdiRiLueZdtLdiRiLueZdtL4S604、通过采样获得一相绕组的电流，此时按下式的估算方式获得电流误差值，以A相电流为例：ˆ()ˆ(0.5())ˆ(0.5())aaaabbbcccksigniiiZksigniiiksigniii可测仅可测仅可测其中Z为滑模开关控制量，k为控制增益，ia、ib、ic为实际三相电流，îa、îb、îc为观测得到的三相电流。51说明书一种交流伺服电机系统及其绕组三相电流的重构方法技术领域5本发明涉及一种交流电机驱动与控制技术领域，特别是涉及一种交流伺服电机系统及其绕组三相电流的重构方法。背景技术随着微处理器技术、功率电子器件、电机制造工艺的发展及高性能稀土永磁材料的不断涌现，交流伺服系统得到了长足发展。同时随着以矢量10控制算法为典型的现代控制理论的提出，交流伺服系统在控制性能上已经超越传统直流伺服系统。并且与其他类型电机相比，永磁同步电机的可靠性、功率密度的多方面都更胜一筹，也因这些优点在工业领域得到了普遍应用，如机器人控制、数控机床、办公自动化、军用武器跟随系统及航空航天领域等。但由于永磁同步电机伺服系统价格的高昂，一定程度限制了15其应用领域的拓宽。因此，如何在保证交流伺服系统高性能的同时，降低其成本具有重大意义。在采用矢量控制的永磁同步电机伺服系统中，除需要微控制器和功率电路外，还需要实时完成对转子位置、速度及绕组电流的检测以完成闭环控制。对转子位置检测的位置传感器主要包括：光电码盘、旋转变压器、20线性霍尔器件等。但这些传感器的应用无疑增加了系统的成本，提高了信号处理电路的复杂性。因此，上世纪80年代人们开始致力于无位置传感器技术的研究，并提出了一系列位置检测方法，基本完成了从高速到低速运行区域的解决方案。在省去位置传感器的同时，如何降低电流传感器的数量成为下一步的研究重点。传统电机相电流检测采用在绕组端加装两到25三个电流传感器，不仅增加了系统体积、提高了成本、使信号调理电路复杂化，而且多个传感器之间的产品差异也会引入误差。为了获得电机的相2电流，传统方法采用在绕组端加装两到三个电流传感器，检测相绕组电流，另外在直流母线侧加装一个电流传感器作为保护信号，不仅极大地增加了系统体积、提高了成本、使信号调理电路复杂化，而且多个传感器之间的产品差异也给电流检测带来误差。近年来，基于单电流传感器的相电流重构算法不断涌现，但都是基于母线电流传感器的电流重构，存在致命的盲5区。因此，基于单电流传感器的交流伺服电机相电流重构技术具有重要的研究价值和工程意义。发明内容针对上述问题中存在的不足之处，本发明所要解决的技术问题是：在电机相电流检测过程中，由于使用了数量较多的电流传感器，而导致的10系统体积过大、成本增加、信号调理电路结构复杂，以及多个电流传感器之间由于产品差异也会给电流检测带来误差的缺点。为了解决上述问题，本发明提供一种交流伺服电机系统，包括三相全桥逆变控制拓扑结构和永磁同步电机，所述永磁同步电机与所述三相全桥逆变控制拓扑结构的交流输出端连接，其中，所述三相全桥逆变控制拓扑15结构包括三相桥式逆变电路、直流电源和电流传感器，所述直流电源与所述三相桥式逆变电路的直流侧并联，所述三相桥式逆变电路包括A相、B相和C相，所述电流传感器用于检测流经所述B相上桥臂和所述C相上桥臂的电流和、以及检测流所述C相下桥臂的电流值；或检测流经所述C相上桥臂的电流值、以及检测流经所述B相下桥臂和所述C相下桥臂的电20流和。优选的，所述电流传感器的一端连接在所述A相上桥臂和所述B相上桥臂的连接线上，以检测流经所述B相上桥臂和所述C相上桥臂的电流和，所述电流传感器的另一端连接在所述B相下桥臂和所述C相下桥臂的连接线上，以检测流经所述C相下桥臂的电流值。25优选的，所述电流传感器的一端连接在所述B相上桥臂和所述C相上桥臂的连接线上，以检测流经所述C相上桥臂的电流值，所述电流传感器3的另一端连接在所述A相下桥臂和所述B相下桥臂的连接线上，以检测流经所述B相下桥臂和所述C相下桥臂的电流和。优选的，所述电流传感器为电气隔离型电流传感器，所述电气隔离型电流传感器为霍尔效应传感器和电流互感器中的一种。优选的，所述三相桥式逆变电路的每一相桥臂由两个串联的全控型开5关器件和分别与两个所述全控型开关器件反并联的二极管组成，所述全控型开关器件为绝缘栅双极型晶体管。一种基于交流伺服电机系统的绕组三相电流的重构方法，其中，包括以下步骤：S10、采用电压空间矢量实现矢量控制方式，通过给定的两相正交坐10标系下的电压Uα、Uβ经Clarke逆变换得到三相对称绕组电压Ua、Ub、Uc；S20、计算三相对称绕组电压的输出电压矢量中两个电压矢量的幅值之和，若不超过阈值一，则执行步骤S30；若两个电压矢量的幅值之和超过阈值一，则执行步骤S40；S30、在每个开关周期内的两个零矢量的作用时段，分别通过AD转换15器采样电流传感器的输出值，从而得到三相绕组的电流值；S40、若两个电压矢量的幅值之和超过阈值一，则根据当前电压矢量的位置选择采样方式，若开关周期内的两个电压矢量的幅值都大于阈值二，则执行步骤S50；若线性调制区域内出现输出电压矢量中，两个电压矢量的幅值之和超过阈值一，则根据当前电压矢量的位置选择采样方式，20若开关周期内的两个电压矢量的幅值任何一个小于阈值二，则执行步骤S60；S50、在直流母线侧安装另一个单电流传感器，在两个电压矢量作用时段，分别通过AD转换器采样母线上电流传感器的输出值，并根据电压矢量所处的扇区位置，确定两次采样对应的电流值，从而得到三相绕组的25电流值；S60、采用滑模电流观测器加反馈校正的方式获得三相绕组电流。4优选的，在所述步骤S20中，阈值一是由功率器件的通断延迟时间td、电流建立时间tset及AD转换器的最小采样保持时间ts&h确定的，具体计算方法为：2&1()sdsetshthdampsttttUUt其中Uthd1为电压矢量阈值一，Uamp为基本电压矢量的最大幅值。5优选的，在所述步骤S40中，阈值二是由功率器件的通断延迟时间td、电流建立时间