一種電力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)裝置采用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，本發(fā)明采用狀態(tài)方程來計(jì)算定子磁鏈幅值，同時(shí)針對(duì)兩電平逆變器的不足，本發(fā)明提出了一種基于中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器，最后為了準(zhǔn)確獲得機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)(PMSM)的位置和速度信息，本發(fā)明提出了位置遞推控制算法來取代位置傳感器技術(shù)。本發(fā)明將狀態(tài)方程計(jì)算磁鏈幅值法，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器和位置遞推控制算法結(jié)合在一起，提高了電力機(jī)器人新型驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)裝置的性能，并且準(zhǔn)確、有效的檢測(cè)變電站巡視機(jī)器人的位置和速度信息。
【專利說明】-種電力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，基于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，將狀態(tài)方 程計(jì)算磁鏈幅值法、中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器和位置遞推控制算法結(jié)合在一起，對(duì)電力機(jī) 器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在各種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)中，由于采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)PMSM的方案效率較高，因 此這種方案具有著重要的地位。特別是在電力機(jī)器人和小型機(jī)器人中，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)PMSM 具有高功率密度以及快速、精確的高控制性能，使其成為電力機(jī)器人的首選。對(duì)于這種電機(jī) 控制方法的研究一直以來是一個(gè)熱點(diǎn)。1985年，直接轉(zhuǎn)矩控制理論被德國魯爾大學(xué)的德彭 布羅克教授首次提出，它在很大程度上解決了矢量控制中電機(jī)的參數(shù)影響較大、旋轉(zhuǎn)變化 復(fù)雜以及實(shí)際中應(yīng)用和理論結(jié)果不一致的現(xiàn)象。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)誕生以后，因?yàn)榭刂扑?想新穎、結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)良等特點(diǎn)而受到了普遍的關(guān)注，并且得到了迅速的發(fā)展。 目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。
[0003] 在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，需要計(jì)算定子磁鏈，構(gòu)成磁鏈自控制；需要定子磁鏈實(shí)現(xiàn)電 動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確觀測(cè)；電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)需要定子磁鏈構(gòu)成磁鏈量的閉環(huán)控制，以實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)低速時(shí)定子磁鏈量的控制。所以，定子磁鏈的準(zhǔn)確獲得是實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)高 性能的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵因素之一。為此，學(xué)者們開始進(jìn)行了更為深入地研究和拓展，形 成了一系列新型改進(jìn)磁鏈觀測(cè)器，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)的改進(jìn)積分器：（1)飽和反饋的改進(jìn)積分 器；（2)幅值限定的改進(jìn)積分器；（3)自適應(yīng)積分器；(4)可編程的級(jí)聯(lián)低通濾波器。但這些 定子磁鏈觀測(cè)積分器都存在著一定的缺陷。
[0004] 電壓型逆變器又分為兩電平電壓型逆變器、多電平逆變器、矩陣式逆變器和諧振 式逆變等。其中使用最多的是三相兩電平電壓逆變器，它非常適用于中小容量的直接轉(zhuǎn)矩 控制系統(tǒng)，但它的缺點(diǎn)是只能夠提供8個(gè)電壓矢量，其中包括6個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量和2個(gè)零電壓矢 量。對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩控制的靈活度不夠，如果在一個(gè)周期中僅用一個(gè)電壓矢量將會(huì) 造成很大的磁鏈脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，所以需要逆變器提供更多的電壓矢量以供選擇，因此在 直接轉(zhuǎn)矩控制中多電平逆變器的研究成為了當(dāng)前的熱點(diǎn)。
[0005] 直接轉(zhuǎn)矩控制本質(zhì)上是一種無速度傳感器技術(shù)，它直接在定子靜止坐標(biāo)系中建立 定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型。它通過構(gòu)成速度閉環(huán)結(jié)構(gòu)，獲得轉(zhuǎn)速信息，以便精準(zhǔn)的控制電 機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)可以采用速度傳感器與轉(zhuǎn)子同軸安裝方法來獲得速度信息，顯然這種機(jī)械傳 感器因?yàn)樾枰刂破髋c傳感器之間的連接線，所以會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能降低；而且也增加 了控制系統(tǒng)的成本。因此，對(duì)無速度傳感器的研究有著重要的意義。
[0006] 1999年，依托山東電力集團(tuán)及山東電力研究院，成立電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，正式 啟動(dòng)"高壓帶電作業(yè)機(jī)器人"項(xiàng)目，是我國最早開展電力機(jī)器人研究的機(jī)構(gòu)之一。2004年7 月，實(shí)驗(yàn)室被山東省科技廳正式批準(zhǔn)為"山東省電力智能機(jī)器人工程技術(shù)研究中心。2007 年4月，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室正式被命名為"國家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室"。2010年11 月，經(jīng)山東省科技廳批準(zhǔn)成立"山東電力研究院院士工作站"，中國工程院士、機(jī)器人專家蔡 鶴皋院士進(jìn)站工作。2012年1月，山東省科技廳批準(zhǔn)成立"山東省中加電力機(jī)器人合作研 究中心"，與加拿大魁北克水電研究院在電力機(jī)器人領(lǐng)域開展深層次技術(shù)交流與合作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種電力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng) 控制系統(tǒng)，基于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，通過狀態(tài)方程計(jì)算定子磁鏈幅值，同時(shí)針對(duì)兩電平逆變 器的不足，采用基于中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器，最后為了準(zhǔn)確獲得驅(qū)動(dòng)電機(jī)PMSM的位置和 速度信息，采用位置遞推控制算法取代位置傳感器技術(shù)；以提高電力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) 的性能，同時(shí)能夠準(zhǔn)確、有效地檢測(cè)變電站巡視機(jī)器人的位置和速度信息。
[0008] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0009] -種電力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，基于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，將狀態(tài)方程計(jì)算磁鏈 幅值法、中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器和位置遞推控制算法結(jié)合在一起，對(duì)電力機(jī)器人進(jìn)行驅(qū) 動(dòng)控制，具體為：
[0010] (1)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，直接在定子靜止坐標(biāo)系下建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，采用雙閉 環(huán)調(diào)速結(jié)構(gòu)：首先通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子電流和定子電壓，并由位置遞推控制算法檢測(cè) 出實(shí)際轉(zhuǎn)速w，檢測(cè)出的定子電流和定子電壓依次中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器和3/2變換后， 得到在定子靜止坐標(biāo)系下的電流和電壓，然后由磁鏈觀測(cè)單元（狀態(tài)方程）和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)單 元（T e模型）分別計(jì)算出實(shí)際磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并對(duì)磁鏈相位進(jìn)行判斷；接著將實(shí)際磁鏈與磁 鏈給定值進(jìn)行比較得到磁鏈控制指令，將實(shí)際轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩給定值進(jìn)行比較得到轉(zhuǎn)矩控制指 令，其中轉(zhuǎn)矩給定值是由實(shí)際轉(zhuǎn)速w和給定轉(zhuǎn)速經(jīng)過ASR調(diào)節(jié)器獲得；最后將磁鏈控制 指令、轉(zhuǎn)矩控制指令和磁鏈相位輸入到開關(guān)狀態(tài)選擇表，根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的要求，選擇空 間電壓矢量，利用開關(guān)狀態(tài)選擇表控制中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器進(jìn)行工作，以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電 機(jī)PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制；
[0011] (2)磁鏈觀測(cè)單元，用于計(jì)算磁鏈幅值和判斷磁鏈相位：運(yùn)用狀態(tài)方程計(jì)算定子 磁鏈幅值，即實(shí)際磁鏈，然后將實(shí)際磁鏈與磁鏈給定值進(jìn)行比較，以避免積分器的不利因 素，得到開關(guān)電狀態(tài)選擇表的一個(gè)輸入量；如果全部采用狀態(tài)方程，將沒有辦法確定磁鏈的 相位，考慮到幅值限定積分器對(duì)于相位的確定是非常準(zhǔn)確的，因此使用幅值限定積分器作 為確定磁鏈相位的工具，再加上狀態(tài)方程確定磁鏈幅值，兩者一起可以起到很好的效果；
[0012] ⑶中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器：其交流側(cè)每相輸出端從中間直流回路得到三種狀 態(tài)的輸出電壓，分別為正端電壓P、負(fù)端電壓N和零電位0,因此該中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器 共有27中不同的開關(guān)組合，每一種開關(guān)組合都對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)空間電壓矢量；
[0013] (4)位置遞推控制算法：實(shí)際轉(zhuǎn)速w采用位置遞推算法得到，具體過程為：
[0014] 設(shè)定吣為驅(qū)動(dòng)電機(jī)PMSM的位置角，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)PMSM的電壓方程在兩相選擇坐 標(biāo)系d_q軸坐標(biāo)下為：

【權(quán)利要求】
1. 一種電力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于：基于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，將狀態(tài)方 程計(jì)算磁鏈幅值法、中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器和位置遞推控制算法結(jié)合在一起，對(duì)電力機(jī) 器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，具體為： (1) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，直接在定子靜止坐標(biāo)系下建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，采用雙閉環(huán)調(diào) 速結(jié)構(gòu)：首先通過檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子電流和定子電壓，并由位置遞推控制算法檢測(cè)出實(shí) 際轉(zhuǎn)速W，檢測(cè)出的定子電流和定子電壓依次中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器和3/2變換后，得到 在定子靜止坐標(biāo)系下的電流和電壓，然后由磁鏈觀測(cè)單元和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)單元分別計(jì)算出實(shí)際 磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并對(duì)磁鏈相位進(jìn)行判斷；接著將實(shí)際磁鏈與磁鏈給定值進(jìn)行比較得到磁鏈控 制指令，將實(shí)際轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩給定值進(jìn)行比較得到轉(zhuǎn)矩控制指令，其中轉(zhuǎn)矩給定值是由實(shí)際 轉(zhuǎn)速w和給定轉(zhuǎn)速/經(jīng)過ASR調(diào)節(jié)器獲得；最后將磁鏈控制指令、轉(zhuǎn)矩控制指令和磁鏈相 位輸入到開關(guān)狀態(tài)選擇表，根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的要求，選擇空間電壓矢量，利用開關(guān)狀態(tài)選 擇表控制中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器進(jìn)行工作，以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制； (2) 磁鏈觀測(cè)單元，用于計(jì)算磁鏈幅值和判斷磁鏈相位：運(yùn)用狀態(tài)方程計(jì)算定子磁鏈 幅值，即實(shí)際磁鏈；使用幅值限定積分器作為確定磁鏈相位的工具； (3) 中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器：其交流側(cè)每相輸出端從中間直流回路得到三種狀態(tài)的 輸出電壓，分別為正端電壓P、負(fù)端電壓N和零電位0,因此該中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器共有 27中不同的開關(guān)組合，每一種開關(guān)組合都對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)空間電壓矢量； (4) 位置遞推控制算法：實(shí)際轉(zhuǎn)速w采用位置遞推算法得到，具體過程為： 設(shè)定L為驅(qū)動(dòng)電機(jī)PMSM的位置角，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)PMSM的電壓方程在兩相選擇坐標(biāo)系 d_q軸坐標(biāo)下為：
其中R為電樞繞組電阻，L為電樞繞組電感，ud、uq、id、分別指d、q軸的電壓和電流， 為永磁體的永磁磁鏈，P是微分因子；據(jù)此得到：
將
和給定轉(zhuǎn)速
經(jīng)過ASR調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值。
【文檔編號(hào)】H02P21/00GK104158455SQ201410423165
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】余海濤, 孟高軍, 胡敏強(qiáng), 黃磊 申請(qǐng)人:東南大學(xué)