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)要点

1、说明书摘要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5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。10 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 高驱动控制系统的可靠性。i摘要附图1510152025权

2、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，具特征在于，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 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，具特征在于，所述电流 传感器的一端连接在所

3、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，具特征在于，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，具特征在于，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

4、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，具特征在于，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 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510152025电流的重构方法，其特征在于，包括以下步骤:Si。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Ua、Ub经Clarke逆变换得到三相对称绕组电压 U、Ub、UC;S2。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

5、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;S3。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；S4。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， 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;S5。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

6、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；S6。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 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：Uthdits-2 (tdtset ts&h).tU amp其中Uhdi为电压矢量阈值一，Ump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，在所述步骤S40中，阈

7、值二是由功率器件的通断延迟时间 td、电流建立时间 t set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：td tset ts& hUthd2 二 tU amp其中Uhd2为电压矢量阈值二，Ump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：Ua =Rsia +Ldia+eJdtdibUb =Rib L ydtUc =Qc +L dc +ecdt建立开环的电流观测器:dia = -Rsia+L(Ua-ea) dtLaa a强= -Rsib L(Ub

8、-eb)dtLdicRs禧=/ +LMq)51015其中 Ua、Ub、Uc为三相电压，iib、ic为三相电流，ea、eb、ec为相4反电势，R为电机绕组电阻，L为绕组电感；S602、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：ea = -ke rSin ?eb = -ke r sin(F -120 )ec = -ke r sin()-240 )其中ea、eb、ec为相反电势，ke为反电势系数，为转子角速度，0 为转子位置角;S60a在开环观测器的基础上建立闭环滑模电流感测器:生-Rsia L(Ua -Ea Za)dt LdibRs,x出='% L(Ub-eb Zb)d

9、ic、dtRs-L 'cL(Uc -ec Zc)S604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：卜 sign(ia - I?)ia可测Za =|k ,sign(0.5«ib?)仅ib可测k sign(-0.5x(ic -?)仅 ic可测其中Z为滑模开关控制量，k为控制增益，i a、i b、i c为实际三相电 流，？ a、？b、？c为观测得到的三相电流。510152025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

10、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 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 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

11、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、 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 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。

12、为了获得电机的相i510152025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，不仅极大地增加了提高了成本、 使信号调理电路复杂化， 而且多个传感器之间的近年来， 基于单电流传感器的相电流重但都是基于母线电流传感器的电流重构， 存在致命的盲因此， 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：由于使用了数量较多的电流传感器， 而导致的成本增加、 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，

13、包括三相全所述永磁同步电机与所述三相全桥其中， 所述三相全桥逆变控制拓扑直流电源和电流传感器， 所述直流电源与所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。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。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相上以检测流经

14、所述C 相上桥臂的电流值，所述电流传感器510152025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 标系下的电压 U、U经Clarke逆变换得到三相对称绕组电压 U、U、U;S20计算三相对

15、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 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；S5。在直流母线侧安装另一个单电

16、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 确定两次采样对应的电流值， 从而得到三相绕组的 电流值；S6。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。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：Uthd1ts-2 (tdtset ts&h) ”Utsamp11其中Uhd1为电压矢量阈值一，Ump为基本电压矢量的最大幅值。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tset及

17、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：Uthd2td ' tset - ts&hU ampts10其中Uhd2为电压矢量阈值二，Ump为基本电压矢量的最大幅值。优选的，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:Ua =Ria +L dia +ea dtT Ub =Rib +Ldb+e dt dicUc =Rsic +L +ec dt建立开环的电流观测器:15diaadtdibdtdic、dtRs:ia L(ua -ea)Rsib L(ub -eb)Rs-Lsic L(Uc -ec)其中ua、Ub、Uc为三相电压，i

18、a、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；S602、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：5101520ea = ke'r sin -eb - -ke r sin(1-120 ) ec = -ke r sin( r -240 )其中ea、eb、ec为相反电势，ke为反电势系数，为转子角速度，0为转子位置角；S60a在开环观测器的基础上建立闭环滑模电流感测器：fdiaR寸=广 ia +L(Ua ea +Za)dtLdibRs ib L(ub -eb Zb)dtLd = -RLic +L(uc -ec +Zc) dtLS

19、604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：k sign(ia -i?)ia可测Za =«k sign(0.5x(ib ?)仅ib可测k sign(-0.5x(ic -?)仅 ic可测其中Z为滑模开关控制量，k为控制增益，i a、i b、i c为实际三相电流，？ a、？b、？c为观测得到的三相电流。与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明只采用一个电流传感器，在对电机相电流检测过程时，通过连 接不同的相位桥臂的连接线，以实现检测相应的电流值与电流和的效果； 另外，由于只采用一个电流传感器，与现有技术相比，本发明可减少电流 传感器的使用数量

20、，减小系统体积，降低成本，使信号调理电路结构简单、 清晰，避免由于多个电流传感器之间存在产品差异而给电流检测带来误 差，从而提高驱动控制系统的可靠性。基于本发明中的三相电流重构方法，在对电机相电流检测过程时，只 需要将所使用的一个电流传感器与不同相位桥臂的连接线相连接，使可以 检测出相应的电流值与电流和，以完成对相关的相电流重构，与现有技术 相比，本发明可减少电流传感器的使用数量，减小系统体积，降低成本， 使信号调理电路结构简单、清晰，避免由于多个电流传感器之间存在产品510152025差异而给电流检测带来误差，从而提高驱动控制系统的可靠性O 附图说明图 1 是本发明的实施例电路结构示意图；图

21、 2 是本发明的又一实施例电路结构示意图；图 3 是本发明的 AD 转换器对电流传感器具体的采样时刻说明示意图；图 4 是本发明的采用母线电流传感器进行电流重构的盲区示意图；图5是本发明的采用图1或图2电流传感器安装方式进行电流重构的盲区示意图；图6是本发明的采用图1或图2电流传感器安装方式及母线电流传感器整合进行电流重构的盲区示意图；图7是本发明的绕组三相电流的重构方法流程图；图8是本发明的利用观测器获得相电流的仿真结果示意图。主要元件符号说明：1-直流电源2- 三相桥式逆变电路3- 电流传感器4- 永磁同步电机具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图与实例对

22、本发明作进一步详细说明，但所举实例不作为对本发明的限定。如图 1 所示，本发明的实施例包括三相全桥逆变控制拓扑结构和永4，永磁同步电机4 与三相全桥逆变控制拓扑结构的交流输出2、直1 和电流传感器3，直流电源1 与三相桥式逆变电路2 的直流侧并2 包括三相，即 A 相、 B 相和 C 相，电流传感器3的一端连接在A相上桥臂和B相上桥臂的连接线上，检测流经B相上桥臂和C相上桥臂的电流和，另一端连接在 B相下桥臂和C相下桥臂的连接线 上，检测流经C相下桥臂的电流值。510152025电流传感器3为电气隔离型电流传感器，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。三相桥式逆变电路2的

23、每一相桥臂由两个串联的全控型开关器件和 分别与两个全控型开关器件反并联的二极管组成，全控型开关器件为绝缘 栅双极型晶体管。如图2所示，本实施例中，包括三相全桥逆变控制拓扑结构和永磁 同步电机4,永磁同步电机4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 2、直流 电源1和电流传感器3,直流电源1与三相桥式逆变电路2的直流侧并联， 三相桥式逆变电路2包括三相，即A相、B相和C相，电流传感器3的一 端连接在B相上桥臂和C相上桥臂的连接线上，检测流经C相上桥臂的电 流值，另一端连接在 A相下桥臂和B相下桥臂的连接线上，检测流经 B 相下桥臂和C相下

24、桥臂的电流和。电流传感器3为电气隔离型电流传感器，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。三相桥式逆变电路2的每一相桥臂由两个串联的全控型开关器件和 分别与两个全控型开关器件反并联的二极管组成，全控型开关器件为绝缘 栅双极型晶体管。如图7所示，本实施例提供一种绕组三相电流的重构方法，其中， 包括以下步骤：ua、u、uc：S1。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011-1/2 弧2 二1/2 -73/2标系下的电压 U、U经Clarke逆变换得到三相对称绕组电压UalU b = u"通过Sign( U) +2X Sign (U) +4X Sign

25、( U)计算得到输出电压矢量所处的扇区标号，其中Sign()为符号函数。510152025S2。计算三相对称绕组电压的输出电压矢量中两个有效基本电压矢量的幅值之和，若不超过阈值一，则执行步骤 S30;若两个有效基本电压 矢量的幅值之和超过阈值一，则执行步骤 S40;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：. ts -2 (td tset ts&h).Uthdl -UUampts其中Uhd1为电压矢量阈值一，Ump为基本电压矢量的最大幅值。S3。计算输出电压矢量中两个有效基本电压矢量的幅值之和，若不

26、 超过阈值一，则如图5所示的非阴影区域，在每个开关周期内的以和U7两个零矢量的作用时段，在如图3所示中的isam1和isam2时刻，分别通过AD 转换器采样电流传感器的输出值，其中在U时段采样的电流值即为 C相电流值，在U7时段采样的电流值即为B、C相电流，进而得到B相电流值， 根据基尔霍夫电流定律i a+i b+i c=0可计算得到A相电流值，从而得到三相 绕组的电流值。S4。若两个有效基本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有效基本电压矢量的 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，两个有效基本电压矢量

27、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有效基本电压矢量的幅值任 何一个小于阈值二，则执行步骤 S60;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: td tset ts&hUthd2 -U ampts其中Uhd2为电压矢量阈值二，Ump为基本电压矢量的最大幅值。S5。若两个有效基本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有效基本电压矢量的幅值都大于阈值二，则如图4所示中的非阴影区域，在直流母线侧安装另 一个单电流传

28、感器，电气隔离型与非隔离型均可，在两个有效基本电压矢 量作用时段，即如图3所示中isam界口 isam4时刻，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，查下表确定两次采样对应的电流值。5101520以第三扇区为例，两次电流采样分别为 A相电流ia和C相电流-ic, 根据基尔霍夫电流定律i a+i b+i c=0可计算得到B相电流值，从而得到三相 绕组的电流值。添加母线电流传感器后还有简化过流保护过程的作用，若不添加母线电流传感器，则只能计算出三相绕组电流后分别进行限流控制。S6。若线性调制区域内出现输出电压矢量中两个有效基本电压矢量 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有效基本电压矢量的幅值任何一个小于阈值二，采用滑模电流观测器加反馈校正