CN102624315A

CN102624315A - 一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法

Info

Publication number: CN102624315A
Application number: CN2012101043927A
Authority: CN
Inventors: 蒋正友; 王云涛; 陈广博
Original assignee: Shanghai Sany Precision Machinery Co Ltd
Current assignee: Shanghai Sany Precision Machinery Co Ltd
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明公开了一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法，系统包括上位机、控制模块、检测驱动模块和功率模块，功率模块包括三相逆变器和永磁同步电机，三相逆变器三路输出接入永磁同步电机；软件部包括位置控制模块、速度控制模块、电流控制模块和电压矢量调制模块，通过采用位置环、速度环和电流环的三闭环系统来进行控制，速度误差信号通过控制模块的模糊PI复合控制进行调节，模糊PI复合控制包括采用模糊切换的方式进行组合的模糊控制和PI控制，电压矢量调制模块为基于Kohonen神经网络的电压矢量脉宽调制模块。本发明能够有效提高永磁同步电机控制器的动态性能，稳态精度和鲁棒性，并达到控制快速性和强抗负载扰动。

Description

一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法。

背景技术

电动机控制技术是伺服驱动控制的核心。从发展的历程来看，电动机控制技术与电动机、大功率器件、微电子器件、传感器、微型计算机以及控制理论的发展密切相关。1971年德国学者Blaschke和Hasse相继提出了交流电动机的矢量变换控制的新思想、新理论和新技术，它的出现对交流电动机控制技术的研究具有划时代的意义。因为这种通过磁场定向构成的矢量变换交流闭环控制系统，其控制性能完全可以与直流系统相媲美。矢量控制是在机电能量转换、电机统一理论和空间矢量理论基础上发展起来的，它首先应用于三相感应电动机，很快扩展到三相永磁同步电动机(PMSM)，其基本原理是通过坐标变换，在转子磁场定向的同步坐标系上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制，使其具有和传统直流电动机相同的运行性能。二十世纪90年代后随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速度、高集成度、低成本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制与直接转矩控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也变得简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、可靠性及实用性。近几年，在先进的数控交流伺服系统中，多家公司都推出了专门用于电机控制的DSP芯片，DSP能迅速完成系统速度环、电流环以及位置环的精密快速调节和复杂的矢量控制，对于表贴式的永磁同步电机一般采用直轴电流i_d = 0的方法进一步对永磁同步电机进行线性化解耦。目前，永磁同步电机(PMSM)矢量控制系统普遍采用速度和电流双闭环控制方法，对速度的控制大部分利用传统的PI控制器，PI控制虽然算法简单，参数调整方便，有一定的控制精度，但PI控制的本质是一种线性控制，而被控对象PMSM具有非线性特性并伴有参变量的变化，使得PI控制无法保持设计时所期望的性能指标，也无法从根本上解决动态品质和稳态精度之间的矛盾，系统鲁棒性差。

针对上述现有技术缺点，中国专利CN202103620U公开一种基于永磁同步电机矢量控制系统的复合控制系统，该系统的不足是：（1）系统的动态性能没有得到改善；（2）由于增加了几个参数，调试会更加困难；（3）两种控制的切换不合理，容易造成系统的振荡。另外现有技术中电压矢量脉宽调制一般采用传统的SVPWM算法，该算法涉及大量的三角函数和求根运算，计算比较复杂，而且随着电平数的增加，基矢量个数增多，开关的冗余状态也进一步增多，传统SVPWM算法实现整个过程都十分繁琐。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法，能够有效提高永磁同步电机控制器的动态性能，稳态精度和鲁棒性，并能达到控制的快速性和强的抗负载扰动能力。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，包括依次连接的上位机、控制模块、检测驱动模块和功率模块，所述控制模块包括DSP硬件平台与置于所述DSP硬件平台上的软件部；所述检测驱动模块包括驱动模块、电流检测模块和转速位置检测模块，所述功率模块包括三相逆变器和永磁同步电机，所述三相逆变器的三路输出接入所述永磁同步电机，所述三相逆变器输出至所述电流检测模块，所述永磁同步电机输出至所述转速位置检测模块，所述转速位置检测模块输出所述永磁同步电机的转速位置信号，所述电流检测模块接收所述永磁同步电机的定子电流信号；所述DSP硬件平台上的软件部包括位置控制模块、速度控制模块、电流控制模块和电压矢量调制模块，通过采用位置环、速度环和电流环的三闭环系统来进行控制。

上述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，所述DSP硬件平台包括CAN模块、PWM模块、ADC模块和QEP模块，所述驱动模块输入和所述PWM模块相连，所述电流检测模块输出与所述ADC模块相连，所述转速位置检测模块输出与所述QEP模块相连，所述驱动模块接收所述PWM模块发出的PWM调试波形来控制所述三相逆变器，对所述永磁同步电机进行矢量控制。

上述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，所述控制模块采用的主控芯片为TMS320F28335芯片。

上述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，所述电流检测模块为霍尔电流传感器。

上述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，所述转速位置检测模块为光电编码器。

上述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，所述的速度控制模块为模糊控制模块和PI复合控制模块，所述模糊控制模块与所述PI复合控制模块之间的切换方式为模糊切换方式。

上述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其中，所述电压矢量调制模块为基于Kohonen神经网络的电压矢量脉宽调制模块。

本发明还包括了一种如上述任意一项的高精度永磁伺服电机三闭环控制系统的控制方法，其中，包括下列步骤：

通过所述转速位置检测模块检测的电机转子空间位置作为位置反馈信号，位置调节器输出的信号作为速度给定，计算得到的转子速度作为速度反馈；

速度调节器输出定子电流q轴分量的参考值，同时给定i_d* =0；

由所述电流检测模块测得定子两相电流，分解得定子电流的dq轴分量；

由电流控制模块分别预测需要施加的空间电压矢量的dq轴分量，将预测得到的空间电压矢量经坐标变换后，输入到所述电压矢量调制模块中形成SVPWM控制信号，驱动所述三相逆变器对所述永磁同步电机施加电压，从而实现i_d=0的控制。

上述控制方法，其中，速度误差信号通过所述控制模块的模糊PI复合控制进行调节，所述模糊PI复合控制包括采用模糊切换的方式进行组合的模糊控制和PI控制，模糊切换控制规则如下：

如果E = Z，那么U=U_PI；

否则，U=U_FZ，

其中E为输入，Z是模糊切换的隶属度函数，U_PI是PI控制器的输出，U_FZ是FZ控制器的输出，d，q轴电流经过电流控制模块，通过所述电压矢量调制模块产生调制信号，再经过所述PWM模块产生6路PWM波送至三相逆变器从而实现对永磁同步电机的控制。

上述控制方法，其中，所述电流检测模块为霍尔电流传感器，转速位置检测模块为光电编码器。

与已有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明控制系统是三闭环控制系统，而且基本是在软件部分进行循环，减少了伺服控制系统的硬件，所以受外界干扰很小，闭环系统的可靠性和控制性能得到了提高，实时性也得到了提升；

2、本发明提出的高精度永磁伺服电机控制系统速度环采用模糊PI控制器，具有PI控制结构简单、精确度高的特点，以及模糊控制不依赖于系统模型参数、鲁棒性强的特点，使整个系统的控制性能得到了提高与优化；

3、本发明通过模糊切换方式对两个控制进行切换，这种切换方式可以有效避免过早切换时体现不出模糊控制的优点而使超调量增大，过迟切换时有可能进不了PI控制的缺点；

4、本发明提出的基于Kohonen神经网络的电压矢量脉宽调制算法在扇区判断与基矢量作用时间求取时，是简单的线性计算，避免了三角函数和求根运算，节省了处理器的计算时间，提高了系统的响应速度和控制精度；

5、本发明所采用的TMS320F28335芯片，其高效的数据处理速度能满足复合控制器中速度环复合控制及基于Kohonen神经网络的电压矢量脉宽调制算法等所带来的大量的数据运算。

附图说明

图1是本发明高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法的系统结构示意图；

图2是本发明高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法的系统运行结构示意图；

图3是本发明高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法的速度控制模块结构的工作原理框图；

图4是本发明高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法的模糊切换隶属度函数示意图；

图5是本发明高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法的电压矢量调制模块的工作原理框图；

图6是本发明高精度永磁伺服电机三闭环控制系统及方法的位置跟踪效果图。

具体实施方式

下面结合原理图和具体操作实施例对本发明作进一步说明。

图1为高精度永磁伺服电机控三闭环控制系统结构示意图，如图1所示，本发明高精度永磁伺服电机三闭环控制系统包括功率模块、检测驱动模块，控制模块和上位机。功率模块包括三相逆变器和与其连接的电机，检测驱动模块包括驱动模块、电流检测模块和位置转速检测模块。控制模块包括DSP硬件平台和置于DSP硬件平台上的软件部分，软件部分包括位置控制模块、速度控制模块、电流控制模块和电压矢量调制模块。

请参看图2所示，DSP硬件平台包括CAN模块、PWM模块、ADC模块和QEP模块，驱动模块输入和DSP硬件平台的PWM模块相连，输入与三相逆变器相连，电流检测模块输入与三相逆变器相连，输出与DSP硬件平台的ADC模块相连，转速位置检测模块输入与电机相连，输出与DSP硬件平台的QEP接口相连。

在本发明的具体实施例中，上位机通过DSP硬件平台的CAN模块发送的位置指令，位置控制模块接收位置指令和QEP接口反馈的真实位置信号，根据之间的误差进行控制调节产生速度指令信号，速度控制模块接收速度指令信号和QEP接口反馈的真实的速度信号，并根据之间的误差进行控制调节产生电流指令信号。电流控制模块接收电流指令信号和DSP硬件平台的ADC模块反馈的真实的电流信号，根据之间的误差进行控制调节产生电压指令信号，电压矢量调制模块接收电压指令信号进行调试产生调试信号，再通过DSP硬件平台的PWM模块发出PWM控制波形给驱动模块，进而通过驱动模块驱动三相逆变器控制电机运行到所设定的位置，完成电机的三闭环控制。

优选方案中，速度控制模块为模糊和PI复合控制模块，两者之间的切换方式为模糊切换方式，电压矢量调制模块则为基于Kohonen神经网络的电压矢量脉宽调制模块。

优选方案中，控制模块为TMS320F28335 DSP控制器。本发明所采用的TMS320F28335芯片具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法，有专用的电机控制接口，从而为本发明的实施有巨大的帮助。

检测驱动电路包括驱动模块、电流检测模块和转速位置检测模块，其中电流检测模块为霍尔电流传感器，转速位置检测模块为光电编码器。功率模块包括三相逆变器和电机，其中电机为永磁同步电机。光电编码器输出永磁同步电机的转速位置信号，电流传感器接收电机两相定子电流信号，驱动模块接收DSP的PWM模块发出的PWM调试波形控制三相逆变器，对永磁同步电机进行矢量控制。

控制模块的具体结构如图2所示，系统采用矢量控制原理，实现永磁同步电机伺服系统的矢量控制，并且系统采用i_d*=0转子磁场定向控制。图中可以看出，控制方案包含了位置环、速度环和电流环的三闭环系统，其中位置环和速度控制作为外环，电流闭环作为内环，采用直流电流控制方式的方式。

本发明还涉及一种与本发明控制系统相匹配的控制方法，具体的实现过程如下：通过转速位置检测模块，即光电编码器检测的电机转子空间位置作为位置反馈信号，位置调节器输出的信号作为速度给定，计算得到的转子速度作为速度反馈；速度调节器输出定子电流q轴分量的参考值，同时给定i_d* =0；由电流检测模块，即霍尔电流传感器测得定子两相电流，分解得定子电流的dq轴分量；由电流控制模块分别预测需要施加的空间电压矢量的dq轴分量；将预测得到的空间电压矢量经坐标变换后，输入到电压矢量调制模块中形成SVPWM控制信号，驱动逆变器对电机施加电压，从而实现i_d=0的控制。系统中，速度误差信号通过模糊PI复合控制器进行调节，d，q轴电流的误差信号经过控制模块，通过电压矢量调制模块产生调制信号，再经过DSP的PWM模块产生6路PWM波送至三相逆变器从而实现对永磁同步电机的控制，而把模糊PI复合控制方法和电压矢量脉宽调制方法引入到永磁同步电机位置、速度和电流三闭环控制中对永磁同步电机进行高速度高精度控制。

系统性能主要由外环决定，内环由噪声等干扰因素给系统带来的扰动也可由外环加以抑制或弥补，因而本发明速度控制模块中将模糊PI智能控制策略施加于外环速度环以替换传统的PI控制器，使本系统根据不同的运行条件，自动在PI控制和模糊控制之间切换，在保证系统控制精度的前提下，达到提高系统快速性、增强系统鲁棒性的目的，使整个控制系统的性能得到提高与优化。模糊PI复合控制的原理如图3所示，当系统发生振荡或者超调时，该控制方法能自动进行两种控制方式的平滑切换，确保系统同时具有良好的静、动态特性。复合控制是在不同的误差范围内对不同的控制器进行切换来实现分段控制的，人们对复合控制的切换提出了不同的切换方案，如：常值比例切换法、饱和线性函数切换法、饱和非线性函数切换法、误差比例切换法等等。而常规的切换方式是，即在大偏差范围内采用FZ控制，在小偏差范围内转换成PI控制，这种方式虽然控制算法简单，实时性好且响应快，能有效消除稳态误差，但很难找到最佳的切换点。过早切换时会体现不出模糊控制的优点而使超调量增大，过迟切换时就可能进不了PI控制，本发明的模糊控制和PI控制采用模糊切换的方式进行组合，本发明的控制模块，即复合控制器也可以速度环实现单独的PI控制或模糊控制，图3中的切换开关即为模糊切换开关，它按如下的模糊切换控制规则进行切换：

如果E 是 Z ，那么 U = U_PI；

否则，U = U_FZ。

其中，E为输入，Z是模糊切换的隶属度函数，U_PI是PI控制器的输出，U_FZ是FZ控制器的输出。隶属度函数如图4所示，通过改变它的形状和a的取值可以获得不同的控制强度分量。切换开关的输出采用加权平均法运算，根据系统的性能要求，当误差量较大时，输出控制量基本由模糊控制器起作用，当接近输出期望值时，系统主要由PI控制器进行静态控制，较好地满足了系统的控制要求。

上述切换方式的特点如下：(1)作用于被控对象的控制量是两控制器的加权混合输出，综合了两种控制的优点，互补彼此的不足。(2)在整个控制过程中，两种控制的权重实现了自动调整。当系统处于暂态时α_FZ较大，由模糊控制起主要作用，提高了系统的快速性：当系统进入稳态时α_PI较大，由PI控制起主要作用，提高了系统的稳态精度。(3)提高了系统的抗负载扰动的能力。当系统出现较大扰动时，α_FZ迅速增大起抑制扰动作用。

本发明中，电压矢量调制模块具体示意图如图5所示，从图中可以看出，三相电压参考指令通过简单的线性计算得到6个值n₁-n₆，通过竞争层得到n₁-n₆中最大和次大的值，再通过简单的计算就可以得到相邻的参考电压矢量，而n₁-n₆最大和次大值后面的数字标号通过译码可以得到相邻的电压矢量。从上面的过程可以看出，脉宽调制在扇区判断与基矢量作用时间求取时，是简单的线性计算，避免了三角函数和求根运算，节省了处理器的计算时间。

图6为高精度永磁伺服电机三闭环控制系统的位置跟踪效果图，从图中可以看到位置跟踪无超调，响应速度快，系统性能良好。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims

1.一种高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其特征在于，包括依次连接的上位机、控制模块、检测驱动模块和功率模块，所述控制模块包括DSP硬件平台与置于所述DSP硬件平台上的软件部；所述检测驱动模块包括驱动模块、电流检测模块和转速位置检测模块，所述功率模块包括三相逆变器和永磁同步电机，所述三相逆变器的三路输出接入所述永磁同步电机，所述三相逆变器输出至所述电流检测模块，所述永磁同步电机输出至所述转速位置检测模块，所述转速位置检测模块输出所述永磁同步电机的转速位置信号，所述电流检测模块接收所述永磁同步电机的定子电流信号；所述DSP硬件平台上的软件部包括位置控制模块、速度控制模块、电流控制模块和电压矢量调制模块，通过采用位置环、速度环和电流环的三闭环系统来进行控制。

2.如权利要求1所述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其特征在于，所述DSP硬件平台包括CAN模块、PWM模块、ADC模块和QEP模块，所述驱动模块输入和所述PWM模块相连，所述电流检测模块输出与所述ADC模块相连，所述转速位置检测模块输出与所述QEP模块相连，所述驱动模块接收所述PWM模块发出的PWM调试波形来控制所述三相逆变器，对所述永磁同步电机进行矢量控制。

3.如权利要求1或2所述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其特征在于，所述控制模块采用的主控芯片为TMS320F28335芯片。

4.如权利要求1或2所述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其特征在于，所述电流检测模块为霍尔电流传感器。

5.如权利要求1或2所述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其特征在于，所述转速位置检测模块为光电编码器。

6.如权利要求1或2所述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其特征在于，所述的速度控制模块为模糊控制模块和PI复合控制模块，所述模糊控制模块与所述PI复合控制模块之间的切换方式为模糊切换方式。

7.如权利要求1或2所述高精度永磁伺服电机三闭环控制系统，其特征在于，所述电压矢量调制模块为基于Kohonen神经网络的电压矢量脉宽调制模块。

8.一种如权利要求1至7中任意一项所述的高精度永磁伺服电机三闭环控制系统的控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

由电流控制模块分别预测需要施加的空间电压矢量的dq轴分量，将预测得到的空间电压矢量经坐标变换后，输入到所述电压矢量调制模块中形成SVPWM控制信号，驱动所述三相逆变器对所述永磁同步电机施加电压，从而实现i_d =0的控制。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，速度误差信号通过所述控制模块的模糊PI复合控制进行调节，所述模糊PI复合控制包括采用模糊切换的方式进行组合的模糊控制和PI控制，模糊切换控制规则如下：

如果E = Z，那么U=U_PI；

否则，U=U_FZ，

其中E为输入，Z是模糊切换的隶属度函数，U_PI是PI控制器的输出，U_FZ是FZ控制器的输出，d，q轴电流的误差信号经过控制模块，通过所述电压矢量调制模块产生调制信号，再经过所述PWM模块产生6路PWM波送至三相逆变器从而实现对永磁同步电机的控制。

10.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述电流检测模块为霍尔电流传感器，所述转速位置检测模块为光电编码器。