CN101005263A - 交流电机伺服系统速度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机控制技术领域的交流电机伺服系统速度控制方法，采用内、外两个控制环结合方法，在内控制环中，根据电机对象并采用码盘测出电机速度，利用负载转矩观测器进行反馈控制；另外，在外控制环中，根据电机模型，经低通滤波器得到转子估计速度，再经平均速度计算后输入反馈回路，整个控制系统形成闭环反馈控制。本发明适用于控制交流伺服电机的速度，具有较强的负载能力和抗外界干扰能力。

Description

交流电机伺服系统速度控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制技术领域的方法，具体是一种交流电机伺服系统速度控制方法。

背景技术

交流电机因其具有体积小、可靠性高、伺服性能优良等特点，在现代交流伺服系统中得到了广泛的应用，低速性能是伺服系统性能的重要指标之一。伺服驱动装置是数控机床、工业机器人等高性能机一体化产品的重要组成部分，也是构成工厂自动化不可缺少的基本单元。目前，各国学者已提出了许多方法用来完成电机速度跟踪精度的控制。

经对现有技术的文献检索发现，Brown等在文章Analysis of algorithms forvelocity estimation from discrete position versus time data(IEEE Trans.Ind.Electron.，1992，39，5，PP.11-19)中提出的MT(测频率&测周期)法，其不足在于：在低速运行情况下，尤其是当脉冲间隔时间远大于速度采样周期时，使用MT测速方法造成的检测时间延迟很容易使控制器变得不稳定，因而很难获得理想的速度响应特性和伺服性能。

对于低速时速度检测时间延迟问题目前使用较多的方法有矢量控制法、和负载观测法，这种方法电路简单，但由于电机数学模型是非线性的，观测器的稳定性分析非常困难，加之对电机参数的依赖，这种方法必须解决速度和位置推算对电动机参数和负载扰动的自适应问题以及对测量噪声的敏感性问题，常规方法无法按目标速度和动态响应性能设计控制器。因此，一般的观测器控制方法速度跟踪精度差，在低速时对测量噪声非常敏感，对阶跃输入的指令信号其动态输出位置相应存在超调和振荡现象。实际中，测量信号中混杂各种噪声和高频干扰。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种交流电机伺服系统速度控制方法，使其能在无须使用转矩误差和位置误差的情况下，采用速度观测器采样速度和观测出的平均速度之差作为误差向量，并以观测速度作为闭环反馈量能得到较好的速度控制效果和动态响应性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在现有的交流电机伺服系统速度控制器设计方法以及码盘MT速度采样方法的基础上，提出一种交流电机伺服系统速度控制方法，即采用内、外两个控制环结合方法，经速度控制器和电流控制器后：在内控制环中，根据电机对象并采用码盘测出电机速度

，利用负载转矩观测器进行反馈控制；另外，在外控制环中，根据电机模型，经低通滤波器得到转子估计速度

再经平均速度计算后输入反馈回路，整个控制系统形成闭环反馈控制。用户可以通过在线调节观测器控制系统的反馈增益参数K来调节控制效果，获得要求的速度控制效果和动态响应性能。

在电机系统速度进行控制前，本发明中，先根据电机伺服系统的变量及参数建立其动态数学模型为： $u\left(t\right)=K_c\stackrel{.}{x}+\mathrm{Ri}\left(t\right)+\mathrm{Ldi}\left(t\right)/\mathrm{dt}$ ；f(t)＝K_fi(t)； $f\left(t\right)=m\stackrel{..}{x}\left(t\right)+{\tilde{f}}_{\mathrm{fric}}\left(\stackrel{.}{x}\right)+{\tilde{f}}_{\mathrm{load}}\left(t\right)$ ；其中u(t)、i(t)分别是时变电机终端电压和电流；x(t)电机转子位置；f(t)、

分别电机驱动力和负载扰动；

为摩擦力。利用速度控制系统中的码盘测出电机实际转速ω_r，并用速度观测器测得电机的测量速度

，并将其送到主机的存储单元RAM中。

以下对本发明作进一步的描述，方法具体步骤如下：

第一步、选择状态变量，结合公式可得到电机控制系统的状态方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{x}}_1=A_{1}x+B_{1}u-B_2{T}_l\\ y=C_1{x}_1\end{array}\right.$ ，  其中，x₁＝[θ_r ω_r]^T； $A_1=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 0& -B/J\end{array}\right];$ B₁＝[0 k_t/J]^T；u＝i_q；B₂＝[0 1/J]^T；C₁＝[1 0]； $k_t=\frac{3}{2}P{\mathrm{\λ}}_f$ 。θ_r为转子位置角度、J为转动惯量、P为极对数、λ_f为永磁体磁链、B为阻尼系数。

第二步、根据第一步得到的电机控制系统的状态方程，输入速度指令信号和作为上述电机的速度检测值的电机旋转信号，通过从上述电机旋转信号到上述转矩指令的反馈环的传递函数包括极点或者零点的运算，以转速误差为误差向量所观测到的等效负载转矩

，且 ${\hat{T}}_l^{\′}=(K_p^{\′}+K_l^{\′}/f)\frac{({\mathrm{\ω}}_r-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r)}{f+l_1}$ ，进行上述转矩指令的运算的反馈运算单元。

第三步、计算速率观测器的反馈条件，为保证速度观测器的正确，以控制变量

作为反馈量，利用观测器实时预测负载转矩扰动和低速时的连续速度变化。其中电机实际转速ω_r由码盘经过MT法(测频率&测周期)采样后得到的速度

代替。在相同采样周期内，观测到的速度

的平均值

与

之差作为速度误差。速度反馈ω_f取速度采样周期T_s内观测到的转速

的平均值。为了保证速度观测器的正确，控制变量 ${\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r=\mathrm{Ksgn}\left({\hat{s}}_n\right)$ 必须满足的条件为： ${\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r=\left\{\begin{array}{cc}+K& {\hat{s}}_n>0\\ -K& {\hat{s}}_n<0\end{array}\right.$ 。当 ${\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r=\mathrm{Ksgn}\left({\hat{s}}_n\right)$ ，在状态空间模型中，曲线 ${\hat{s}}_n=0$ 是电流动态稳定的条件。

第四步、在第三步得到的速率观测器反馈条件基础上，确定一个增益参数K，K必须大于或等于ω_max，根据控制变量转子估计速度 变化而自动调节，实现转子磁通和转矩快速响应。在电机控制中，为了防止估计速度中的高频分量对电机运行的不良影响，在估计出的理想速度之后，加入一个低通滤波器，其输出作为实际速度的反馈速度，并用于系统的控制。K值大小对系统性能的影响如下：(1)增大K值，

的颤抖会变大；(2)增大K值，对于转子磁通和电机转矩的计算会加快，实际上，观测器会使系统收敛于正确的磁通值。如果K非常大，收敛速度在理论上是无穷大的。传统的速度观测器中，K值为一个适合于整个频率段的固定值。考虑以上的两点分析，如果在调速过程中，K值可以根据

变化而自动加以调节的话，那么系统在整个调速范围内便拥有更加良好稳定的性能，特别是高频段的颤抖现象能够得到很好的抑制。考虑到以上问题，在系统中可以加入一个PI控制器，从而保证观测器在快速响应的同时，能够根据

的变化调节参数K。

第五步、计算电机目标速度与反馈速度之间的速度误差，并将所计算的速度误差一相接一相地存储，参照所述目标速度、所述测量的旋转速度和每相的重复速度误差来控制所述步进电机的速度。如此周而复始，整个交流电机伺服系统就实现了有效控制。

本发明通过编制成相应的速度观测器控制监控模块，在现有的交流电机伺服系统中直接实施。直接得到电机实际转速ω_r和的测量速度

，从而构建起这两者之间的直观联系，连同本发明所采用的速度观测器控制算法一同装入监控模块中。

在交流电机伺服系统速度控制系统采用本发明提出的控制方法，最大的特点就是无须使用转矩误差和位置误差，控制系统根据速度误差进行反馈自适应调节。在使用本发明提出的方法时，工程技术人员所要做的工作就是：用测速码盘经过MT法采样得到的电机速度

，用连续速度观测器估算电机的测量速度，其他工作由系统自动完成：系统能自动计算出电机目标速度与反馈速度之间的速度误差，并以其作为控制信号，实现对电机伺服系统速度控制效果和动态响应性能。用户操作起来更简便直观；控制效果更快速平稳，能达到更好的系统性能。采取本发明控制方法的电机伺服系统可广泛应用于各种交流电机的速度控制。

附图说明

图1是采用本发明方法的伺服电机控制系统速度观测器原理框图。

图中对交流电机伺服系统速度控制方法采用内、外两个控制环结合方法，控制系统，经速度控制器和电流控制器后：在内控制环中，根据电机对象并采用码盘测出电机速度

，利用负载转矩观测器进行反馈控制；另外，在外控制环中，根据电机模型，经低通滤波器得到转子估计速度

，再经平均速度计算后输入反馈回路，整个控制系统形成闭环反馈控制。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，系统进入控制阶段后，用户根据实际电机工作情况设定目标速度ω_r，为保证速度观测器的正确，以控制变量ω_f作为反馈量，利用观测器实时预测负载转矩扰动和低速时的连续速度变化。首先利用采样周期T_s的速度控制器进行速度信号检测变送，同时用采样周期T_c的电流控制器进行电流信号检测变送它们经A/D转换等输入预处理得到数字量输入信号。其中电机实际转速ω_r由码盘经过MT法采样后得到的速度

代替。在相同采样周期内，观测到的速度

的平均值

与

之差作为速度误差。速度反馈ω_f取速度采样周期T_s内观测到的转速

的平均值。该输出信号经过D/A转换等处理后去驱动被控制系统的速度控制装置便实现了对被控对象的自适应闭环控制，达到要求的速度控制效果和动态响应性能最佳控制效果。

将本发明提出的控制方法用于交流电机伺服系统速度控制系统，其目的是使电机以与目标速度一致的瞬时速度旋转。计算电机目标速度与反馈速度之间的速度误差，并将所计算的速度误差一相接一相地存储，参照所述目标速度、所述测量的旋转速度和每相的重复速度误差来控制所述步进电机的速度，使其以一致的瞬时速度旋转。

利用速度控制系统中的测速码盘测出电机实际转速ω_r，并用速度观测器测得电机的测量速度

，并将其送到主机的存储单元RAM中。在此基础上，进入交流电机伺服系统速度控制过程，具体实施步骤有以下几步：

第一步、选择状态变量，结合公式可得到电机控制系统的状态方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{x}}_1=A_{1}x+B_{1}u-B_2{T}_l\\ y=C_1{x}_1\end{array}\right.$ ，其中，x₁＝[θ_r ω_r]^T； $A_1=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 0& -B/J\end{array}\right];$ B₁＝[0  k_t/J]^T；u＝i_q；B₂＝[0 1/J]^T；C₁＝[1 0]； $k_t=\frac{3}{2}P{\mathrm{\&lambda;}}_f$ 。θ_r为转子位置角度、J为转动惯量、P为极对数、λ_f为永磁体磁链、B为阻尼系数。

第二步、根据第一步得到的电机控制系统的状态方程，输入速度指令信号和作为上述电机的速度检测值的电机旋转信号，通过从上述电机旋转信号到上述转矩指令的反馈环的传递函数包括极点或者零点的运算，以转速误差为误差向量所观测到的等效负载转矩

，进行上述转矩指令的运算的反馈运算单元。第三步、计算速率观测器的反馈条件，为保证速度观测器的正确，以控制变量

作为反馈量，利用观测器实时预测负载转矩扰动和低速时的连续速度变化。其中电机实际转速ω_r由码盘经过MT法采样后得到的速度

代替。在相同采样周期内，观测到的速度 的平均值

与

之差作为速度误差。速度反馈ω_f取速度采样周期T_s内观测到的转速

的平均值。

第四步、在第三步得到的速率观测器反馈条件基础上，确定一个增益参数K，K必须大于或等于ω_max，根据控制变量转子估计速度

变化而自动调节，实现转子磁通和转矩快速响应。在电机控制中，为了防止估计速度中的高频分量对电机运行的不良影响，在估计出的理想速度之后，加入一个低通滤波器，其输出作为实际速度的反馈速度，并用于系统的控制。传统的速度观测器中，K值为一个适合于整个频率段的固定值。考虑以上的两点分析，如果在调速过程中，K值可以根据

变化而自动加以调节的话，那么系统在整个调速范围内便拥有更加良好稳定的性能，特别是高频段的颤抖现象能够得到很好的抑制。考虑到以上问题，在系统中可以加入一个PI控制器，从而保证观测器在快速响应的同时，能够根据 的变化调节参数k。

第五步、计算电机目标速度与反馈速度之间的速度误差，并将所计算的速度误差一相接一相地存储，参照所述目标速度、所述测量的旋转速度和每相的重复速度误差来控制所述步进电机的速度。如此周而复始，整个交流电机伺服系统就实现了有效控制。

正因为本发明在电机伺服系统速度控制系统中，采用测速码盘测出电机实际转速ω_r，并用速度观测器测得电机的测量速度

，因此可得到实时的误差速度，并将其作为反馈控制回路的参数进行控制调节，达到要求的速度控制效果和动态响应性能最佳控制效果。因此保证了本发明获得的是最佳电机速度控制系统。

Claims (6)

1、一种交流电机伺服系统速度控制方法，其特征在于，采用内、外两个控制环结合方法，经速度控制器和电流控制器后：在内控制环中，根据电机对象并采用码盘测出电机速度

，利用负载转矩观测器进行反馈控制；另外，在外控制环中，根据电机模型，经低通滤波器得到转子估计速度

，再经平均速度计算后输入反馈回路，整个控制系统形成闭环反馈控制。

2、根据权利要求1所述的交流电机伺服系统速度控制方法，其特征是，具体步骤如下：

第一步、选择状态变量，结合公式得到电机控制系统的状态方程如下： $\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{x}}_1=A_{1}x+B_{1}u-B_2{T}_l\\ y=C_1{x}_1\end{array}\right.,$ 其中，x₁＝[θ_r ω_r]^T； $A_1=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 0& -B/J\end{array}\right];$ B₁＝[0 k_t/J]^T，u＝i_q，B₂＝[0 1/J]^T，C₁＝[1 0]， $k_t=\frac{3}{2}P{\mathrm{\&lambda;}}_f$ ，θ_r为转子位置角度、J为转动惯量、P为极对数、λ_f为永磁体磁链、B为阻尼系数；

第二步、根据第一步得到的电机控制系统的状态方程，输入速度指令信号和作为上述电机的速度检测值的电机旋转信号，通过从上述电机旋转信号到上述转矩指令的反馈环的传递函数包括极点或者零点的运算，以转速误差为误差向量所观测到的等效负载转矩

，且 ${\hat{T}}_l^{\&prime;}=(K_p^{\&prime;}+K_l^{\&prime;}/f)\frac{({\mathrm{\&omega;}}_r-{\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r)}{f+l_1}$ ，进行上述转矩指令的运算的反馈运算单元；

第三步、计算速率观测器的反馈条件，以控制变量转子估计速度

作为反.馈量，利用观测器实时预测负载转矩扰动和低速时的连续速度变化，其中电机实际转速ω_r由码盘经过MT法采样后得到的速度

代替，在相同采样周期内，观测到的速度

的平均值

与

之差作为速度误差，速度反馈ω_f取速度采样周期T_s内观测到的转速

的平均值；

第四步、在第三步得到的速率观测器反馈条件基础上，确定一个增益参数K，K必须大于或等于ω_max，根据控制变量转子估计速度 变化而自动调节，实现转子磁通和转矩快速响应；

第五步、计算电机目标速度与反馈速度之间的速度误差，并将所计算的速度误差一相接一相地存储，参照所述目标速度、所述测量的旋转速度和每相的重复速度误差来控制所述步进电机的速度；如此周而复始，整个交流电机伺服系统实现了控制。

3、根据权利要求2所述的交流电机伺服系统速度控制方法，其特征是，所述第三步，控制变量转子估计速度 ${\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r=\mathrm{Ksgn}\left({\hat{s}}_n\right)$ 必须满足的条件为：

${\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r=\left\{\begin{array}{cc}+K& {\hat{s}}_n>0\\ -K& {\hat{s}}_n<0\end{array}\right.;$

当 ${\widehat{\mathrm{\&omega;}}}_r=\mathrm{Ksgn}\left({\hat{s}}_n\right),$ 在状态空间模型中，曲线 ${\hat{s}}_n=0$ 是电流动态稳定的条件。

4、根据权利要求2所述的交流电机伺服系统速度控制方法，其特征是，所述第四步，在得到控制变量转子估计速度 之后，加入一个低通滤波器，其输出作为实际速度的反馈速度，并用于系统的控制。

5、根据权利要求2所述的交流电机伺服系统速度控制方法，其特征是，所述第四步中，K值大小对系统性能的影响如下：(1)增大K值， 的颤抖会变大；(2)增大K值，对于转子磁通和电机转矩的计算会加快，实际上，观测器会使系统收敛于正确的磁通值；在系统中加入一个PI控制器，从而保证观测器在快速响应的同时，能够根据

的变化调节参数K。

6、根据权利要求1或者2所述的交流电机伺服系统速度控制方法，其特征是，在电机系统速度进行控制前，先根据电机伺服系统的变量及参数建立其动态数学模型为：

$u\left(t\right)=K_c\stackrel{\&CenterDot;}{x}+\mathrm{Ri}\left(t\right)+\mathrm{Ldi}\left(t\right)/\mathrm{dt};$

f(t)＝K_fi(t)；

$f\left(t\right)=m\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}\left(t\right)+{\tilde{f}}_{\mathrm{fric}}\left(\stackrel{\&CenterDot;}{x}\right)+{\tilde{f}}_{\mathrm{load}}\left(t\right);$

其中u(t)、i(t)分别是时变电机终端电压和电流；x(t)电机转子位置；f(t)、

分别电机驱动力和负载扰动；

为摩擦力，利用速度控制系统中的码盘测出电机实际转速ω_r，并用速度观测器测得电机的测量速度 并将其送到主机的存储单元RAM中。

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