阅读说明：本技术 一种永磁同步电主轴的调速系统及其控制方法 (Speed regulating system of permanent magnet synchronous electric spindle and control method thereof ) 是由 单文桃 李坤 吴战 刘意 于 2019-07-18 设计创作，主要内容包括：本发明属于数控加工领域,为了解决永磁同步电机的快速响应能力差且受转矩脉动影响的问题,提供了一种永磁同步电主轴的调速系统及其控制方法,调速系统,包括：主电路和控制电路,主电路包括功率逆变电路和永磁同步电机,永磁同步电机的电主轴与功率逆变电路相连,控制电路包括：转速调节器、磁链发生器、转矩调节器、磁链调节器、两个电流滞环比较器、SVPWM、磁链观测器和电压矢量表,本发明采用基于混合驱动控制代替传统的矢量控制和直接转矩控制,使系统具有更好的快速响应能力,通过电压矢量开关表间接的控制转矩与磁链,有效抑制了直接转矩系统中产生的转矩脉动问题。(The invention belongs to the field of numerical control machining, and provides a speed regulating system of a permanent magnet synchronous electric spindle and a control method thereof in order to solve the problems that a permanent magnet synchronous motor is poor in quick response capability and is influenced by torque pulsation, wherein the speed regulating system comprises: main circuit and control circuit, main circuit include power inverter circuit and PMSM, and PMSM's electricity main shaft links to each other with power inverter circuit, and control circuit includes: the invention adopts hybrid drive control to replace the traditional vector control and direct torque control, so that the system has better quick response capability, and the torque and flux linkage are indirectly controlled through the voltage vector switch table, thereby effectively inhibiting the torque ripple problem generated in a direct torque system.)

一种永磁同步电主轴的调速系统及其控制方法

技术领域

本发明属于数控加工领域，尤其是涉及一种永磁同步电主轴的调速系统及其控制方法。

背景技术

永磁同步电主轴作为高精度数控机床的核心部件之一，是一种将主轴电机与机床主轴合二为一的传动结构形式，具有结构简单、功率因素高、低速性能好、损耗小等优点。矢量控制实现高速电主轴励磁电流与转矩电流的有效解耦，可以获得优良的动态性能。直接转矩技术不需要磁场定向矢量控制中的旋转坐标变换，直接对定子磁链以及电磁转矩进行，控制系统简单，但其转矩脉动较为明显。

发明内容

本发明为了解决矢量控制与直接转矩控制的不足，通过深入分析矢量控制与直接转矩控制的共性，结合两种控制的优点，实现永磁同步电主轴更高性能的驱动控制方法，提供了一种永磁同步电主轴的调速系统及其控制方法，用以提高系统的快速响应能力和减小系统的转矩脉动。

根据本发明实施例的永磁同步电主轴的调速系统，包括：主电路和控制电路，所述主电路包括功率逆变电路和永磁同步电机，永磁同步电机的电主轴与功率逆变电路相连，所述控制电路包括：转速调节器、磁链发生器、转矩调节器、磁链调节器、两个电流滞环比较器、SVPWM、磁链观测器和电压矢量表，所述转速调机器、所述转矩调节器、其中一个所述电流滞环比较器与所述电压矢量表串联，所述磁链发生器并联在所述转速调节器上，所述磁链调节器串联另一个所述电流滞环比较器然后与所述转矩调节器并联设置，所述磁链观测器连接在所述电主轴与所述电压矢量表之间并与两个所述电流滞环比较器相连，用于控制电流坐标变换和直接转矩控制中的定子磁链相位角的计算，所述电流滞环比较器用于控制电压矢量开关表，进而控制转矩与磁链。

根据本发明实施例的永磁同步电主轴的调速系统的控制方法，包括如下步骤：S1、根据永磁同步电主轴的实际转速与额定转速的差值作为转速调速器的给定值；S2、根据磁链发生函数输出转子磁链的分别经过转矩调节器和磁链调节器，得到和，并与实际值进行比较得到电流偏差；S3、根据电流置换比较器产生标志信号-1、0或1，结合定子磁链相位角作为开关表的输入，选择合适的电压矢量；S4、根据开关表确定功率逆变电路的通断，输出相应的电压矢量，实现永磁同步电主轴的混合驱动控制。

根据本发明的一个实施例，所述的混合驱动控制结合矢量控制与直接转矩控制，电主轴的d轴与q轴的电流由矢量控制产生，励磁电流与转矩电流的滞环控制以及电压矢量表则是由直接转矩控制系统产生。

根据本发明的一个实施例，所述混合驱动控制的电流坐标系变换和定子磁链相位角根据磁链观测器结合矢量控制和直接转矩控制的磁链观测器获得。

根据本发明的一个实施例，定子电流通过矢量控制方法获得。

根据本发明的一个实施例，电压矢量开关的控制矢量控制定子电流进而控制转矩和磁链。

本发明的技术效果：本发明采用基于混合驱动控制代替传统的矢量控制和直接转矩控制，使系统具有更好的快速响应能力，通过电压矢量开关表间接的控制转矩与磁链，有效抑制了直接转矩系统中产生的转矩脉动问题。

附图说明

图1为本发明基于混合驱动控制的永磁同步电主轴调速系统的原理图；

图2为电主轴的d-q坐标关系图；

图3为定子磁链与电磁转矩的控制原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的永磁同步电主轴的调速系统及其控制方法。

图1所示，根据本发明实施例的永磁同步电主轴的调速系统，包括：主电路和控制电路，所述主电路包括功率逆变电路和永磁同步电机，永磁同步电机的电主轴与功率逆变电路相连，所述控制电路包括：转速调节器、磁链发生器、转矩调节器、磁链调节器、两个电流滞环比较器、SVPWM、磁链观测器和电压矢量表，所述转速调机器、所述转矩调节器、其中一个所述电流滞环比较器与所述电压矢量表串联，所述磁链发生器并联在所述转速调节器上，所述磁链调节器串联另一个所述电流滞环比较器然后与所述转矩调节器并联设置，所述磁链观测器连接在所述电主轴与所述电压矢量表之间并与两个所述电流滞环比较器相连，用于控制电流坐标变换和直接转矩控制中的定子磁链相位角的计算，所述电流滞环比较器用于控制电压矢量开关表，进而控制转矩与磁链。

混合驱动控制的磁链观测器完成了矢量控制的电流坐标变换和直接转矩控制的定子磁链相位角计算。

由两个电流滞环比较器的输出电流控制电压矢量开关表，间接的控制转矩与磁链，有效的抑制直接转矩控制系统中的转矩脉动问题。

由于永磁同步电主轴的转子在磁、电等结构上的不对称性，所以它在ABC坐标系下为一个时变、多变量以及强耦合的非线性系统，要对其进行相应的分析与控制存在较大难度，所以采用矢量控制的转子磁场定向控制实现电主轴的解耦控制，其基本思想是将ABC坐标系下的参数经过坐标变换转化为d-q坐标系下的参数，进而实现参数的解耦。

ABC坐标系到d-q轴线的变换公式为：

利用上述公式(1)即可实现对定子电流的解耦。

三相PMSM各矢量的关系如图2所示，定义定子磁链与转子磁极磁链之间的夹角为转矩角δ。

根据图2，可以求出定子磁链在d-q坐标系上的投影为

定子磁链方程为

这样根据式(2)和式(3)可得d-q坐标系下的定子电流方程为

对于表贴式三相PMSM而言，定子电感满足L_d＝L_q＝L_s，此时电磁转矩满足：

由式(4)可得

由式(5)和式(6)得

T_e＝p_nψ_fi_q (8)

当δ→0时，由式(7)和式(8)得

ψ_s∝i_d (9)

T_e∝i_q (10)

采用优选方案，利用电流滞环比较器输出电流差值控制电压矢量开关表，间接实现转矩与磁链的控制，有效抑制了转矩脉动，提高了系统的动态性能。

通常我们希望定子磁链矢量的轨迹为圆形，这可通过选择合适的定子电压矢量来予以实现，如图3所示，通常设定的指令值的运行轨迹为一圆形，然后对进行滞环控制，使逼近将空间复平面分成Ⅰ，Ⅱ，…，Ⅵ共6个区间，每个区间的宽度为60°电角度，虚线为区间间隔，如图3所示。

开关表的取值如表1。

表1电压矢量开关表

按表1进行六个区间的开关电压矢量选择，实现对转矩和磁链的间接控制。表中，和的正负是根据电流滞环比较器的输出来确定的。

本发明基于混合驱动控制的永磁同步电主轴调速系统，结合矢量控制以及直接转矩控制，易于实现，具有优良的动态性能，有效的抑制了传统直接转矩控制系统产生的转矩脉动。

以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。