CN102594252B - 高精度跟踪系统中引入力矩修正的多闭环方法 - Google Patents

Abstract

高精度跟踪系统中引入力矩修正的多闭环方法，高精度跟踪系统对转速和转矩的快速性与平稳性均有较高要求。传统的电流闭环并不能抑制电机磁场畸变造成的转矩波动；而转矩闭环的带宽受限，不能提供快速的力矩响应。本发明针对永磁同步电机驱动的高精度跟踪系统，提出以引入力矩修正的电流闭环和速度闭环的多闭环控制方式取代传统的电流闭环和速度闭环的多闭环控制方式，在提供高带宽力矩响应的同时，可以抑制电机磁场谐波引起的力矩波动，其中力矩修正参数通过转矩估计器实时估计出来。

Description

高精度跟踪系统中引入力矩修正的多闭环方法

技术领域

本发明属于跟踪控制领域，涉及高精度跟踪系统中永磁同步电机的控制方法。

背景技术

目前，光电跟踪系统多采用直流力矩电机作为驱动机构，但直流力矩电机因为有机械电刷和换向器，存在换向火花、电磁干扰大、换向摩擦大和容易磨损的缺点。而永磁同步电机采用电子换向，成功避免了上述问题。同时由于永磁同步电机的励磁磁场为正弦波，比励磁磁场为方波型的无刷直流电机具有更小的力矩波动，所以被广泛应用于机器人、数控机床和航空航天中。但是由于磁场谐波和齿槽力矩的存在，永磁同步电机在低速时仍然有一定的力矩波动。尤其随着跟踪精度的要求越来越高，磁场谐波造成的力矩波动成为影响速度平稳性的重要因素。

光电跟踪系统一般采用位置、速度和电流闭环的控制方式，其中电流环可以改善速度回路控制对象的特性，但并不能抑制电机磁场谐波引起的力矩波动。熊皑等人在文献《光电跟踪系统力矩波动干扰抑制的研究》(参见《电光与控制》，2009，16(4)，pp72-74)中指出，可以通过提高速度环的带宽来抑制电机的力矩波动。但由于受机械谐振和延时等因素的影响，速度环的带宽并不能提得很高。Kento Nakamura等人在文献《Torque RippleSuppression Control for PM Motor with High Bandwidth Torque Meter》(IEEE，2009，pp2572-2577)中采用高带宽的力矩传感器形成转矩闭环，能将转矩谐波抑制到原来的40％以下。但扭矩传感器需安装在电机与负载中间，不便于工程实现。Se-Kyo Chung等人在文献《A new instantaneous torquecontrol of PM synchronous motor for high-performance direct-driveapplications》中采用转矩估计器对转矩进行辨识，进而形成转矩闭环，但转矩闭环带宽受转矩估计器响应能力的限制，所以只适用于转矩变化不大的场合。但跟踪系统速度变化剧烈，需要系统具有快速的转矩响应能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有跟踪控制系统中电流环对力矩控制精度不高而导致的转矩波动、转速波动问题，提供一种高精度跟踪系统中引入力矩修正的多闭环方法，该方法采用引入具有力矩修正功能的转矩估计器，一方面可以达到对转矩的精确控制，另一方面可以克服转矩闭环带宽较低的缺点。

本发明的技术解决方案：高精度跟踪系统中采用转矩估计器实时估计出力矩系数，以引入力矩修正的电流闭环和速度闭环的多闭环控制方式取代电流闭环和速度闭环，具体实现步骤如下：

(1)电流回路作为内回路，速度回路作为外回路。ω为电机的实际速度，而速度的期望值为ω^*。速度控制器的输入信号为ω^*-ω，速度控制器的输出值乘以增益修正值K′，得到i_qs ^*，作为电流回路的期望值。电流控制器的输入信号为电流回路的期望值i_qs ^*-i_qs，其中i_qs为电流实际值。电流控制器的输出信号为加给电机的电压信号v_qs。转矩估计器的输入信号包括速度、电流和电压信号，输出为增益修正值K′，K′用来修正速度控制器的输出信号，以得到电流回路的期望信号i_qs ^*。电机的电流和速度信号由相应的传感器测得，电压信号由于是控制器本身输出的信号，不需要传感器测量。

(2)设计电流控制器，使电流环路具有较高的带宽，以保证永磁同步电机具有足够快的力矩响应。电流回路采用矢量控制，控制算法采用P I算法；

(3)设计速度控制器，使速度开环传递函数至少为I型系统，速度控制器控制算法为：

其中K_p为比例系数，K_i为积分系数，s为拉普拉斯算子；

(4)设计永磁同步电机的转矩估计器，使其能实时估计出电机的转矩系数通过

计算得到增益修正值K′，其中，K_t为电机的额定转矩系数。转矩估计器设计方法可以采用模型参考自适应观测器、滑模变结构观测器或卡尔曼观测器等。

所述增益修正值K′可以放在速度控制器之后，也可以放在电流控制器中或者放在电流反馈回路。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过转矩估计器对电机转矩进行了修正，可以对电机进行精确的转矩控制，使电机速度更为平滑，满足高精度伺服系统对速度平稳性的要求。

(2)本发明转矩估计器得到的不是瞬时转矩值，而是电机的实时转矩系数

通过

计算得到增益修正值K′。因为转矩系数相对转矩本身是个缓慢变化的量，这样可以解决转矩闭环带宽不高的问题，使电机有足够快的力矩响应，满足高精度跟踪系统对快速性的要求。

附图说明

图1为本发明的控制方法结构图；

图2为本发明采用的转矩估计器结构图；

图3a为速度响应曲线，其中0-3s为速度闭环和电流闭环，3s-6s为速度和修正电流闭环；

图3b为图3a的局部放大图；

图4为增益修正值曲线；

图5为电机的输出力矩曲线。

具体实施方式

首先介绍以下某高精度跟踪系统的部分参数：此系统以永磁同步力矩电机作为执行机构。力矩电机的参数如下：定子电阻r＝2.125Ω；电感L_d＝L_q＝11.6mH；极数p＝12；力矩系数K_t＝1.8Nm/A；永磁体磁链的直轴分量为ψ_dm＝0.1994Wb；

跟踪系统机械部分的传递函数为：

$G_m\left(s\right)=\frac{2.8(4.788e-007s^2+3.46e-005s+1)}{(0.0053s+1)(0.0318s+1)(4.398e-007s^2+2.653e-005s+1)}{e}^{-0.0011s}$

其中，s为拉普拉斯算子。，

具体实施方式如下：

(1)按照图1方式建立控制系统：电流回路作为内回路，速度回路作为外回路。在速度回路和电流回路之间，引入力矩修正参数K′，形成具有力矩修正功能的速度、电流闭环方式。速度控制器的输入信号为ω^*-ω，其中ω为电机的实际速度，ω^*为速度的期望值。速度控制器的输出值乘以增益修正值K′，得到i_qs ^*，作为电流回路的期望值。电流控制器的输入信号为电流回路的期望值i_qs ^*-i_qs，其中i_qs为电流实际值。电流控制器的输出信号为加给电机的电压信号v_qs。转矩估计器的输入信号包括速度、电流和电压信号，输出为增益修正值K′，K′用来修正速度控制器的输出信号，以得到电流回路的期望信号i_qs ^*。电机的电流和速度信号由相应的传感器测得，电压信号由于是控制器本身输出的信号，不需要传感器测量。

(2)采用频域法设计电流控制器，但不仅限于该方法。设计电流控制器

其中，s为拉普拉斯算子，得到开环截止频率300Hz，相位裕度90°，Gc为电流控制器；

(3)采用频域法设计速度控制器，速度控制器

开环截止频率10.4Hz，相位裕度85.4°，Gv为速度控制器；

(4)设计转矩估计器：如图2所示，以电机本体作为参考模型，采用模型参考自适应方法估计转矩。

第一步，建立电机模型。

$\stackrel{\·}{x}=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}+\mathrm{D\ψ}---\left(3\right)$

其中，x＝[i_ds，i_qs]^T，u＝[v_ds，v_qd]^T，ψ＝[ψ_dm，ψ_qm]^T，i_ds和i_qs分别代表定子电流的直轴分量和交轴分量，v_ds和v_qs分别代表定子电压的直轴分量和交轴分量，ψ_dm和ψ_qm分别代表永磁体磁链的直轴分量和交轴分量，

$A=\left(\begin{array}{cc}-\frac{r}{L_d}& \frac{L_q}{L_d}{\mathrm{\ω}}_e\\ -\frac{L_d}{L_q}{\mathrm{\ω}}_e& -\frac{r}{L_q}\end{array}\right),$ $B=\left(\begin{array}{cc}\frac{1}{L_d}& 0\\ 0& \frac{1}{L_q}\end{array}\right),$ $D=\left(\begin{array}{cc}0& -\frac{{\mathrm{\ω}}_e}{L_d}\\ -\frac{{\mathrm{\ω}}_e}{L_q}& 0\end{array}\right),$ ω_e代表电机的电角速度；L_d，L_q分别代表电机d轴和q轴的电感；r为电机的相电阻。

第二步，设计模型参考自适应估计器，估计出磁链ψ：

$\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}=\mathrm{\γ}{D}^T\mathrm{Ge}$

其中，G是Lyapunov方程

的解，γ为增益，

Q是正定实对称矩阵。转矩估计器主要有两个参数需要调整：F和γ，F决定收敛速度，同时消除时变参数的影响，此处选择 $F=\left[\begin{array}{cc}-816.8& -{\mathrm{\ω}}_e\\ {\mathrm{\ω}}_e& -816.8\end{array}\right],$ 使得

为恒定矩阵。其中α＝0.1，K_γ＝5000。

第三步，估计出转矩系数

其中p＝12，为电机的极数，将速度控制器的输出值乘以增益修正值K′，其中K′(

)，K_t为电机的额定力矩系数，

为转矩估计器实时估计出的力矩系数，完成具有力矩修正的多闭环控制。

下面以方波型速度信号来验证前述方法的有效性。方波信号周期为3s，占空比为50％，幅值为1rad/s。0-3s(即第一个周期)为第一种控制方式，即速度闭环和电流闭环作用；3s-6s(即第二周期)为第二种控制方式，即引入力矩修正的速度闭环和电流闭环作用。

图3a和图3b显示出两种算法动态特性相同，但稳态特性上，采用第一种控制方式，速度误差的均方根为1.34％，采用第二种控制方式，速度误差的均方根约为0.11％，仅为第一种控制方式的8.21％.

图4显示了两种算法对应的增益修正值K′的情况。其中0-3s，第一种控制方式对应的增益修正值为1，即不作修正。而3s-6s时，增益修正值K′基本在0.95和1.05之间变化。

图5显示了两种算法对应的力矩情况.稳态时，采用第一种方法时的力矩波动为3.57％，采用第二种方法时的力矩波动为0.29％，仅为第一种算法的8.12％.

从图3和图5可以看出，与电流环和速度闭环的多闭环控制方式相比，采用引入力矩修正的多闭环控制方式时，系统动态特性不变，而稳态误差降低一个数量级，满足了高精度跟踪系统对快速性和平稳性的要求。

Claims (2)

1.高精度跟踪系统中引入力矩修正的多闭环方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）采用电流闭环和速度闭环的闭环控制方式，电流回路作为内回路，速度回路作为外回路，在速度回路和电流回路之间，引入力矩修正参数K'，形成具有力矩修正功能的速度、电流闭环方式，即速度控制器的输入信号为ω^*-ω，其中ω为电机的实际速度，ω^*为速度的期望值，速度控制器的输出值乘以增益修正值K'，得到i_qs ^*,作为电流回路的期望值；电流控制器的输入信号为i_qs ^*-i_qs，其中i_qs为电流实际值；电流控制器的输出信号为加给电机的电压信号v_qs，转矩估计器的输入信号包括速度、电流和电压信号，输出为增益修正值K'，K'用来修正速度控制器的输出信号，以得到电流回路的期望信号i_qs ^*；

（2）设计电流控制器，使电流环路具有较高的带宽，以保证永磁同步电机具有足够快的力矩响应；电流回路采用矢量控制，控制算法采用PI算法；

（3）设计速度控制器，使速度开环传递函数至少为Ⅰ型系统，速度控制器控制算法为：

其中Kp为比例系数，Ki为积分系数，s为拉普拉斯算子；

（4）设计永磁同步电机的转矩估计器，使其能实时估计出电机的转矩系数

通过

计算得到增益修正值K'，其中，K_t为电机的额定转矩系数；转矩估计器设计采用模型参考自适应观测器、滑模变结构观测器或卡尔曼观测器。

2.根据权利要求1所述的高精度跟踪系统中引入力矩修正的多闭环方法，其特征在于：所述增益修正值K'能够放在速度控制器之后，也能够放在电流控制器中或者放在电流反馈回路。

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