一种电力机器人的驱动控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电力机器人的驱动控制系统，驱动装置采用直接转矩控制系统，本发明采用状态方程来计算定子磁链幅值，同时针对两电平逆变器的不足，本发明提出了一种基于中点钳位式三电平逆变器，最后为了准确获得机器人驱动电机(PMSM)的位置和速度信息，本发明提出了位置递推控制算法来取代位置传感器技术。本发明将状态方程计算磁链幅值法，直接转矩控制系统，中点钳位式三电平逆变器和位置递推控制算法结合在一起，提高了电力机器人新型驱动控制系统装置的性能，并且准确、有效的检测变电站巡视机器人的位置和速度信息。
【专利说明】-种电力机器人的驱动控制系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电力机器人的驱动控制系统，基于直接转矩控制系统，将状态方 程计算磁链幅值法、中点钳位式三电平逆变器和位置递推控制算法结合在一起，对电力机 器人进行驱动控制。
【背景技术】
[0002] 目前，在各种结构的机器人系统中，由于采用驱动电机PMSM的方案效率较高，因 此这种方案具有着重要的地位。特别是在电力机器人和小型机器人中，由于驱动电机PMSM 具有高功率密度以及快速、精确的高控制性能，使其成为电力机器人的首选。对于这种电机 控制方法的研究一直以来是一个热点。1985年，直接转矩控制理论被德国鲁尔大学的德彭 布罗克教授首次提出，它在很大程度上解决了矢量控制中电机的参数影响较大、旋转变化 复杂以及实际中应用和理论结果不一致的现象。直接转矩控制技术诞生以后，因为控制思 想新颖、结构简单、动静态性能优良等特点而受到了普遍的关注，并且得到了迅速的发展。 目前，该技术已成功地应用在机器人电机驱动领域。
[0003] 在直接转矩控制系统，需要计算定子磁链，构成磁链自控制；需要定子磁链实现电 动机电磁转矩的准确观测；电动机低速运行时需要定子磁链构成磁链量的闭环控制，以实 现系统低速时定子磁链量的控制。所以，定子磁链的准确获得是实现直接转矩控制系统高 性能的转矩动态响应的关键因素之一。为此，学者们开始进行了更为深入地研究和拓展，形 成了一系列新型改进磁链观测器，现在已经出现的改进积分器：（1)饱和反馈的改进积分 器；（2)幅值限定的改进积分器；（3)自适应积分器；(4)可编程的级联低通滤波器。但这些 定子磁链观测积分器都存在着一定的缺陷。
[0004] 电压型逆变器又分为两电平电压型逆变器、多电平逆变器、矩阵式逆变器和谐振 式逆变等。其中使用最多的是三相两电平电压逆变器，它非常适用于中小容量的直接转矩 控制系统，但它的缺点是只能够提供8个电压矢量，其中包括6个运动矢量和2个零电压矢 量。对定子磁链和电磁转矩控制的灵活度不够，如果在一个周期中仅用一个电压矢量将会 造成很大的磁链脉动和转矩脉动，所以需要逆变器提供更多的电压矢量以供选择，因此在 直接转矩控制中多电平逆变器的研究成为了当前的热点。
[0005] 直接转矩控制本质上是一种无速度传感器技术，它直接在定子静止坐标系中建立 定子磁链和转矩的数学模型。它通过构成速度闭环结构，获得转速信息，以便精准的控制电 机转速。电机可以采用速度传感器与转子同轴安装方法来获得速度信息，显然这种机械传 感器因为需要控制器与传感器之间的连接线，所以会导致控制系统性能降低；而且也增加 了控制系统的成本。因此，对无速度传感器的研究有着重要的意义。
[0006] 1999年，依托山东电力集团及山东电力研究院，成立电力机器人技术实验室，正式 启动"高压带电作业机器人"项目，是我国最早开展电力机器人研究的机构之一。2004年7 月，实验室被山东省科技厅正式批准为"山东省电力智能机器人工程技术研究中心。2007 年4月，机器人实验室正式被命名为"国家电网公司电力机器人重点实验室"。2010年11 月，经山东省科技厅批准成立"山东电力研究院院士工作站"，中国工程院士、机器人专家蔡 鹤皋院士进站工作。2012年1月，山东省科技厅批准成立"山东省中加电力机器人合作研 究中心"，与加拿大魁北克水电研究院在电力机器人领域开展深层次技术交流与合作。
【发明内容】
[0007] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电力机器人的驱动 控制系统，基于直接转矩控制系统，通过状态方程计算定子磁链幅值，同时针对两电平逆变 器的不足，采用基于中点钳位式三电平逆变器，最后为了准确获得驱动电机PMSM的位置和 速度信息，采用位置递推控制算法取代位置传感器技术；以提高电力机器人驱动控制系统 的性能，同时能够准确、有效地检测变电站巡视机器人的位置和速度信息。
[0008] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0009] -种电力机器人的驱动控制系统，基于直接转矩控制系统，将状态方程计算磁链 幅值法、中点钳位式三电平逆变器和位置递推控制算法结合在一起，对电力机器人进行驱 动控制，具体为：
[0010] (1)直接转矩控制系统，直接在定子静止坐标系下建立电机的数学模型，采用双闭 环调速结构：首先通过检测驱动电机的定子电流和定子电压，并由位置递推控制算法检测 出实际转速w，检测出的定子电流和定子电压依次中点钳位式三电平逆变器和3/2变换后， 得到在定子静止坐标系下的电流和电压，然后由磁链观测单元（状态方程）和转矩观测单 元（T e模型）分别计算出实际磁链和转矩，并对磁链相位进行判断；接着将实际磁链与磁 链给定值进行比较得到磁链控制指令，将实际转矩与转矩给定值进行比较得到转矩控制指 令，其中转矩给定值是由实际转速w和给定转速经过ASR调节器获得；最后将磁链控制 指令、转矩控制指令和磁链相位输入到开关状态选择表，根据对转矩和磁链的要求，选择空 间电压矢量，利用开关状态选择表控制中点钳位式三电平逆变器进行工作，以进行驱动电 机PMSM的直接转矩控制；
[0011] (2)磁链观测单元，用于计算磁链幅值和判断磁链相位：运用状态方程计算定子 磁链幅值，即实际磁链，然后将实际磁链与磁链给定值进行比较，以避免积分器的不利因 素，得到开关电状态选择表的一个输入量；如果全部采用状态方程，将没有办法确定磁链的 相位，考虑到幅值限定积分器对于相位的确定是非常准确的，因此使用幅值限定积分器作 为确定磁链相位的工具，再加上状态方程确定磁链幅值，两者一起可以起到很好的效果；
[0012] ⑶中点钳位式三电平逆变器：其交流侧每相输出端从中间直流回路得到三种状 态的输出电压，分别为正端电压P、负端电压N和零电位0,因此该中点钳位式三电平逆变器 共有27中不同的开关组合，每一种开关组合都对应输出一个空间电压矢量；
[0013] (4)位置递推控制算法：实际转速w采用位置递推算法得到，具体过程为：
[0014] 设定吣为驱动电机PMSM的位置角，则驱动电机PMSM的电压方程在两相选择坐 标系d_q轴坐标下为：
【权利要求】
1. 一种电力机器人的驱动控制系统，其特征在于：基于直接转矩控制系统，将状态方 程计算磁链幅值法、中点钳位式三电平逆变器和位置递推控制算法结合在一起，对电力机 器人进行驱动控制，具体为： (1) 直接转矩控制系统，直接在定子静止坐标系下建立电机的数学模型，采用双闭环调 速结构：首先通过检测驱动电机的定子电流和定子电压，并由位置递推控制算法检测出实 际转速W，检测出的定子电流和定子电压依次中点钳位式三电平逆变器和3/2变换后，得到 在定子静止坐标系下的电流和电压，然后由磁链观测单元和转矩观测单元分别计算出实际 磁链和转矩，并对磁链相位进行判断；接着将实际磁链与磁链给定值进行比较得到磁链控 制指令，将实际转矩与转矩给定值进行比较得到转矩控制指令，其中转矩给定值是由实际 转速w和给定转速/经过ASR调节器获得；最后将磁链控制指令、转矩控制指令和磁链相 位输入到开关状态选择表，根据对转矩和磁链的要求，选择空间电压矢量，利用开关状态选 择表控制中点钳位式三电平逆变器进行工作，以进行驱动电机PMSM的直接转矩控制； (2) 磁链观测单元，用于计算磁链幅值和判断磁链相位：运用状态方程计算定子磁链 幅值，即实际磁链；使用幅值限定积分器作为确定磁链相位的工具； (3) 中点钳位式三电平逆变器：其交流侧每相输出端从中间直流回路得到三种状态的 输出电压，分别为正端电压P、负端电压N和零电位0,因此该中点钳位式三电平逆变器共有 27中不同的开关组合，每一种开关组合都对应输出一个空间电压矢量； (4) 位置递推控制算法：实际转速w采用位置递推算法得到，具体过程为： 设定L为驱动电机PMSM的位置角，则驱动电机PMSM的电压方程在两相选择坐标系 d_q轴坐标下为：
其中R为电枢绕组电阻，L为电枢绕组电感，ud、uq、id、分别指d、q轴的电压和电流， 为永磁体的永磁磁链，P是微分因子；据此得到：
将
和给定转速
经过ASR调节器得到转矩给定值。
【文档编号】H02P21/00GK104158455SQ201410423165
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】余海涛, 孟高军, 胡敏强, 黄磊 申请人:东南大学