CN103296957A - 一种永磁同步电机位置扫描控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机位置扫描控制方法及系统，包括：跟踪微分器和主控制器；跟踪微分器与主控制器连接，跟踪微分器接收上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置，并对位置指令和实际位置进行解算，将解算后的结果输出至主控制器；主控制器根据接收到的结果，生成速度指令，并获取永磁同步电机的实际速度；主控制器对速度指令和实际速度进行解算，根据解算结果生成电流指令，并对所述电流指令进行调制后生成控制永磁同步电机的电压。本发明能够实现缩短系统的换向时间，实现伺服系统定位的快速性、准确性和无超调。

Description

一种永磁同步电机位置扫描控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，更具体地说，涉及一种永磁同步电机位置扫描控制方法及系统。

背景技术

对于永磁同步电机控制系统而言，系统的快速性、准确性和无超调是系统追求的目标。现有的永磁同步电机控制系统一般采用经典PID控制器，实现永磁同步电机的位置扫描控制。经典PID控制器依靠控制目标与被控对象实际行为之间的误差来消除误差，不依赖于被控对象的数学模型，具有结构简单、响应快、易于工程实现的优点，在中低性能要求的伺服系统中得到了广泛的应用。

但是，PID控制器在控制中由于直接取误差，常常使初始控制力太大而使系统出现超调。实际上，由于实际系统都有惯性，系统输出只能从初始状态开始缓慢变化，采用经典PID控制器控制的方法会使系统受到很大冲击，使系统的实际行为产生超调。且在实际系统中，系统指令往往是不光滑的，甚至是不连续的，而系统输出往往是光滑的，直接把不光滑的信号作为输出的目标，也容易导致输出的超调和振荡。且经典PID控制器对于系统指令和实际行为信号的处理过于简单也容易导致一些不足，一个突出的问题是如何合理的提取微分信号。这个问题在经典PID控制中主要表现在：系统指令常常不可微分，甚至不连续，而输出信号的测量又常常被噪声所污染。因此，误差信号按照经典PID控制通常不可微分或者微分信号被噪声的导数淹没。经典PID控制中一般采用差分方式来近似实现微分功能，但这种方式对噪声的放大作用很大，容易导致微分信号失真而无法使用。

此外，永磁同步电机用于进行位置扫描时，当扫描速度较高时，在换向时刻，即正向扫描和负向扫描任务切换时刻，由于系统本身存在惯性、滞后等问题，以及经典PID控制器本身存在的问题，容易导致系统超调大、换向时间长和动态响应特性差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种永磁同步电机位置扫描控制方法及系统，能够实现缩短系统的换向时间，实现伺服系统定位的快速性、准确性和无超调。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种永磁同步电机位置扫描控制方法，包括：

获取上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置；

对所述上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并根据解算后得到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令；

获取永磁同步电机的实际速度；

对所述PID调节后的速度指令和永磁同步电机的实际速度进行解算，生成电流指令；

调制所述电流指令，生成控制永磁同步电机的电压。

优选地，所述对所述上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并根据解算后得到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令具体为：

通过跟踪微分器对所述上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并将解算得到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度输出至与其连接的主控制器；

所述主控制器根据接收到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令。

优选地，所述对所述PID调节后的速度指令和永磁同步电机的实际速度进行解算，生成电流指令具体为：

通过主控制器对所述PID调节后的速度指令和永磁同步电机的实际速度进行解算，生成电流指令。

优选地，所述通过跟踪微分器对所述上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并将解算得到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度输出至与其连接的主控制器具体为：

通过第一跟踪微分器对所述上位机发出的位置指令进行解算，得到解算后的位置指令和速度指令，并将解算得到的所述位置指令和速度指令发送至与其连接的主控制器；

通过第二跟踪微分器对所述永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的实际位置和实际速度，并将解算的所述实际位置和实际速度发送至与其连接的主控制器。

一种永磁同步电机位置扫描控制系统，其特征在于，包括：跟踪微分器和主控制器；其中：

所述跟踪微分器与所述主控制器连接，所述跟踪微分器接收上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置，对所述位置指令和实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并将解算后得到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度输出至所述主控制器；

所述主控制器根据接收到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令，并获取永磁同步电机的实际速度；

所述主控制器对所述PID调节后的速度指令和所述永磁同步电机的实际速度进行解算后输出电流指令，并对所述电流指令进行调制后生成控制永磁同步电机的电压。

优选地，所述跟踪微分器包括：第一跟踪微分器和第二跟踪微分器；其中：

所述第一跟踪微分器对所述上位机发出的位置指令进行解算，得到解算后的位置指令和速度指令，并将解算后得到的所述位置指令和速度指令发送至与其连接的主控制器；

所述第二跟踪微分器对所述永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的实际位置和实际速度，并将解算后的所述实际位置和实际速度发送至与其连接的主控制器。

优选地，所述主控制器包括：PID控制器、速度控制器、电流矢量控制器、脉宽调制器和逆变器；其中：

所述PID控制器分别与所述第一跟踪微分器、第二跟踪微分器和速度控制器连接，所述PID控制器根据所述第一跟踪微分器输出的解算后的位置指令和速度指令，所述第二跟踪微分器输出的解算后的实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令，并将所述PID调节后的速度指令发送至所述速度控制器；

所述速度控制器获取永磁同步电机的实际速度，并对接收到的所述PID调节后的速度指令和获取到的所述永磁同步电机的实际速度进行解算，输出电流指令，并将所述电流指令发送至与其连接的电流矢量控制器；

所述电流矢量控制器对接收到的所述电流指令进行矢量控制，并通过与其连接的脉宽调制器进行空间矢量脉宽调制后，输出六路脉冲宽度调制波；

所述逆变器与所述脉宽调制器连接，接收所述脉宽调制器输出的六路脉冲宽度调制波，将所述六路脉冲宽度调制波逆变后，生成控制永磁同步电机的三相电压。

优选地，所述第一跟踪微分器对所述上位机发出的位置指令进行解算得到解算后的位置指令和速度指令的公式为：

e_r＝θ_r-θ_r1；

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{r1}={\mathrm{\θ}}_{r2};$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{r2}=-r\×\mathrm{fal}(e_r,a,\mathrm{\δ});$

$\mathrm{fal}(e_r,a,\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{c}{\left|e_r\right|}^a\mathrm{sgn}\left(e\right),\left|e_r\right|>\mathrm{\&delta;}\\ \frac{e_r}{{\mathrm{\&delta;}}^{1-a}},\left|e_r\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,0<a<1;$

其中，e_r为位置指令误差，θ_r为位置指令，θ_r1为第一跟踪微分器对位置指令θ_r进行解算后输出的位置指令，

为第一跟踪微分器对位置指令θ_r1微分后输出的速度指令，θ_r2为根据公式

得到的第一跟踪微分器输出的速度指令，

为第一跟踪微分器对速度指令θ_r2微分后得到的微分信号，r为提前减速权重，δ为提前减速位置，fal(e_r,a,δ)为提前减速函数。

优选地，所述第二跟踪微分器对所述永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的实际位置和实际速度的公式为：

e_m=θ_m-θ_m1；

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{m1}={\mathrm{\&theta;}}_{m2};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{m2}=-r\&times;\mathrm{fal}(e_m,a,\mathrm{\&delta;});$

$\mathrm{fal}(e_m,a,\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{c}{\left|e_m\right|}^a\mathrm{sgn}\left(e\right),\left|e_m\right|>\mathrm{\&delta;}\\ \frac{e_m}{{\mathrm{\&delta;}}^{1-a}},\left|e_m\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,0<a<1;$

其中，e_m为实际位置误差，θ_m为实际位置，θ_m1为第二跟踪微分器对实际位置θ_m进行解算后输出的实际位置，

为第二跟踪微分器对实际位置θ_m1微分后输出的实际速度，θ_m2为根据公式

得到的第二跟踪微分器输出的实际速度，

为第二跟踪微分器对实际速度θ_m2微分后得到的微分信号，r为提前减速权重，δ为提前减速位置，fal(e_m,a,δ)为提前减速函数。

优选地，所述PID控制器生成的速度指令为：

${\mathrm{\&omega;}}_r=k_p({\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_{m1})+k_d({\mathrm{\&theta;}}_{r2}-{\mathrm{\&theta;}}_{m2})+k_i{\&Integral;}_0^t({\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_{m1})\mathrm{dt};$

其中，k_p为PID控制器的比例系数，k_d为PID控制器的微分系数，k_i为PID控制器的积分系数，θ_r1为第一跟踪微分器输出的位置指令，θ_m1为第二跟踪微分器输出的的实际位置，θ_r2为第一跟踪微分器输出的的速度指令，θ_m2为第二跟踪微分器输出的实际速度。

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的一种永磁同步电机位置扫描控制方法及系统，通过与主控制器连接的跟踪微分器首先对接收到的上位机发出的位置指令和永磁同步电机输出的实际位置进行解算，通过解算能够实现对系统的状态以及状态的各阶微分进行跟踪控制，从而克服了经典PID控制中系统响应速度和超调之间的矛盾，并且通过解算能够实现为位置扫描信号提供一个过渡过程，从而缩短了系统换向的时间，实现了伺服系统定位的快速性、准确性和无超调的目标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种永磁同步电机位置扫描控制方法的流程图；

图2为本发明另一实施例公开的一种永磁同步电机位置扫描控制方法的流程图；

图3为本发明实施例公开的一种永磁同步电机位置扫描控制系统的结构示意图；

图4为本发明公开的另一实施例公开的一种永磁同步电机位置扫描控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种永磁同步电机位置扫描控制方法及系统，能够实现缩短系统的换向时间，实现伺服系统定位的快速性、准确性和无超调。

如图1所示，为本发明公开的一种永磁同步电机位置扫描控制方法，包括：

S101、获取上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置；

S102、对上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并根据解算后得到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令；

S103、获取永磁同步电机的实际速度；

S104、对PID调节后的速度指令和永磁同步电机的实际速度进行解算，生成电流指令；

S105、调制电流指令，生成控制永磁同步电机的电压。

在上述实施例中，首先获取上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置，对获取到的上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并根据解算后得到的位置指令、速度指令、实际位置和速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令，其次获取永磁同步电机的实际速度，并对获取的实际速度和生成的PID调节后的速度指令进行解算，生成电流指令，最后调制生成的电流指令，生成控制永磁同步电机的电压。通过对获取的上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，能够实现对系统的状态及状态的各阶微分进行控制，克服了经典PID控制中系统响应速度和超调之间的矛盾；通过对上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，能够实现为位置扫描信号提供一个过渡过程，缩短了系统换向的时间，实现了伺服系统定位的快速性、准确性和无超调的目标。

如图2所示，为本发明另一实施例公开的一种永磁同步电机位置扫描控制方法，包括：

S201、通过跟踪微分器获取上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置；

S202、通过跟踪微分器对上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并将解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度发送至与其连接的主控制器；

具体的，通过第一跟踪微分器对上位机发出的位置指令进行解算，得到解算后的实际位置和实际速度，并将解算后的实际位置后实际速度发送至与其连接的主控制器；第一跟踪微分器对上位机发出的位置指令进行解算，得到解算后的位置指令和速度指令的公式为：

e_r=θ_r-θ_r1；

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{r1}={\mathrm{\&theta;}}_{r2};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{r2}=-r\&times;\mathrm{fal}(e_r,a,\mathrm{\&delta;});$

$\mathrm{fal}(e_r,a,\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{c}{\left|e_r\right|}^a\mathrm{sgn}\left(e\right),\left|e_r\right|>\mathrm{\&delta;}\\ \frac{e_r}{{\mathrm{\&delta;}}^{1-a}},\left|e_r\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,0<a<1;$

其中，e_r为位置指令误差，θ_r为位置指令，θ_r1为第一跟踪微分器对位置指令θ_r进行解算后输出的位置指令，

为第一跟踪微分器对位置指令θ_r1微分后输出的速度指令，θ_r2为根据公式

得到的第一跟踪微分器输出的速度指令，

为第一跟踪微分器对速度指令θ_r2微分后得到的微分信号，r为提前减速权重，δ为提前减速位置，fal(e_r,a,δ)为提前减速函数。

通过第二跟踪微分器对永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的实际位置和实际速度，并将解算后的实际位置和实际速度发送至与其连接的主控制器；第二跟踪微分器对永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的实际位置和实际速度的公式为：

e_m=θ_m-θ_m1；

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{m1}={\mathrm{\&theta;}}_{m2};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{m2}=-r\&times;\mathrm{fal}(e_m,a,\mathrm{\&delta;});$

$\mathrm{fal}(e_m,a,\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{c}{\left|e_m\right|}^a\mathrm{sgn}\left(e\right),\left|e_m\right|>\mathrm{\&delta;}\\ \frac{e_m}{{\mathrm{\&delta;}}^{1-a}},\left|e_m\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,0<a<1;$

其中，e_m为实际位置误差，θ_m为实际位置，θ_m1为第二跟踪微分器对实际位置θ_m进行解算后输出的实际位置，

为第二跟踪微分器对实际位置θ_m1微分后输出的实际速度，θ_m2为根据公式

得到的第二跟踪微分器输出的实际速度，

为第二跟踪微分器对实际速度θ_m2微分后得到的微分信号，r为提前减速权重，δ为提前减速位置，fal(e_m,a,δ)为提前减速函数。

S203、主控制器根据接收到的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令；

具体的，通过主控制器中的PID控制器对接收到的第一跟踪微分器输出的解算后的位置指令和速度指令，第二跟踪微分器输出的解算后的实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令；PID控制器生成的PID调节后的速度指令的公式为：

${\mathrm{\&omega;}}_r=k_p({\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_{m1})+k_d({\mathrm{\&theta;}}_{r2}-{\mathrm{\&theta;}}_{m2})+k_i{\&Integral;}_0^t({\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_{m1})\mathrm{dt};$

其中，k_p为PID控制器的比例系数，k_d为PID控制器的微分系数，k_i为PID控制器的积分系数，θ_r1为第一跟踪微分器输出的位置指令，θ_m1为第二跟踪微分器输出的实际位置，θ_r2为第一跟踪微分器输出的速度指令，θ_m2为第二跟踪微分器输出的实际速度。

S204、通过主控制器获取永磁同步电机的实际速度；

具体的，通过主控制器中的速度控制器获取永磁同步电机的实际速度。

S205、通过主控制器对速度指令和实际速度进行解算，根据解算结果生成电流指令；

具体的，通过主控制器中的速度控制器对速度指令和实际速度进行解算，根据解算结果生成电流指令。

S206、通过主控制器调制电流指令，生成控制永磁同步电机的电压；

具体的，通过主控制器中的电流矢量控制器对电流指令进行矢量控制，并通过主控制器中的脉宽调制器进行空间矢量脉宽调制，输出六路脉冲宽度调制波；

通过主控制器中的逆变器接收脉宽调制器输出的六路脉冲宽度调制波，将六路脉冲宽度调制波逆变后，生成控制永磁同步电机的三相电压。

如图3所示，为本发明公开的永磁同步电机位置扫描控制系统，包括：跟踪微分器101和主控制器102；其中：

跟踪微分器101与主控制器102连接，跟踪微分器101接收上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置，对所述位置指令和实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并将解算后得到的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度输出至主控制器102；

主控制器102根据接收到的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令，并获取永磁同步电机的实际速度；

主控制器102对所述PID调节后的速度指令和永磁同步电机的实际速度进行解算，后输出电流指令，并对所述电流指令进行调制后生成控制永磁同步电机的电压。

在上述实施例中，在系统中引入了跟踪微分器，跟踪微分器对其输入的一个信号，如v(t)，能够输出两个信号v₁(t)和v₂(t)，其中v₁(t)跟踪输入信号v(t)，而v₂(t)是v₁(t)的微分信号，v₂(t)实际上是v(t)的广义微分，是一种品质很好的微分。因此，如图1所示，跟踪微分器101接收到上位机发出的位置指令θ_r和永磁同步电机输出的电机实际位置θ_m后，分别对位置指令θ_r和实际位置θ_m进行解算，得到解算结果θ_r1，θ_r2，θ_m1和θ_m2，并将得到的解算结果输出至主控制器102。

上述实施例中，通过跟踪微分器对系统的状态机状态的各阶微分进行跟踪控制，克服了经典PID控制中系统响应速度和超调之间的矛盾，并且通过跟踪微分器为位置扫描信号提供一个过渡过程，缩短了系统换向时间，实现了伺服系统定位的快速性、准确性和无超调。

如图4所示，为本发明另一实施例公开的一种永磁同步电机位置扫描控制系统，包括：第一跟踪微分器201、第二跟踪微分器202、PID控制器203、速度控制器204、电流矢量控制器205、脉宽调制器206和逆变器207；其中：

第一跟踪微分器201和第二跟踪微分器202分别与PID控制器203连接，第一跟踪微分器201对上位机发出的位置指令θ_r进行解算，解算后输出的结果为：

e_r=θ_r-θ_r1；

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{r1}={\mathrm{\&theta;}}_{r2};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{r2}=-r\&times;\mathrm{fal}(e_r,a,\mathrm{\&delta;});$

$\mathrm{fal}(e_r,a,\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{c}{\left|e_r\right|}^a\mathrm{sgn}\left(e\right),\left|e_r\right|>\mathrm{\&delta;}\\ \frac{e_r}{{\mathrm{\&delta;}}^{1-a}},\left|e_r\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,0<a<1;$

其中，e_r为位置指令误差，θ_r为位置指令，θ_r1为第一跟踪微分器对位置指令θ_r进行解算后输出的位置指令，为第一跟踪微分器对位置指令θ_r1微分后输出的速度指令，θ_r2为根据公式

得到的第一跟踪微分器输出的速度指令，

为第一跟踪微分器对速度指令θ_r2微分后得到的微分信号，r为提前减速权重，δ为提前减速位置，fal(e_r,a,δ)为提前减速函数。

第二跟踪微分器202对永磁同步电机208输出的实际位置θ_m进行解算，解算后输出的结果为：

e_m=θ_m-θ_m1；

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{m1}={\mathrm{\&theta;}}_{m2};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{m2}=-r\&times;\mathrm{fal}(e_m,a,\mathrm{\&delta;});$

$\mathrm{fal}(e_m,a,\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{c}{\left|e_m\right|}^a\mathrm{sgn}\left(e\right),\left|e_m\right|>\mathrm{\&delta;}\\ \frac{e_m}{{\mathrm{\&delta;}}^{1-a}},\left|e_m\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,0<a<1;$

其中，e_m为实际位置误差，θ_m为实际位置，θ_m1为第二跟踪微分器对实际位置θ_m进行解算后输出的实际位置，为第二跟踪微分器对实际位置θ_m1微分后输出的实际速度，θ_m2为根据公式

得到的第二跟踪微分器输出的实际速度，

为第二跟踪微分器对实际速度θ_m2微分后得到的微分信号，r为提前减速权重，δ为提前减速位置，fal(e_m,a,δ)为提前减速函数。

PID控制器203接收第一跟踪微分器201和第二跟踪微分器202解算后输出的结果θ_r1，θ_r2，θ_m1和θ_m2，并根据接收到的结果进行解算，输出速度指令ω_r，

${\mathrm{\&omega;}}_r=k_p({\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_{m1})+k_d({\mathrm{\&theta;}}_{r2}-{\mathrm{\&theta;}}_{m2})+k_i{\&Integral;}_0^t({\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_{m1})\mathrm{dt};$

其中，k_p为PID控制器的比例系数，k_d为PID控制器的微分系数，k_i为PID控制器的积分系数，θ_r1为第一跟踪微分器输出的位置指令，θ_m1为第二跟踪微分器输出的实际位置，θ_r2为第一跟踪微分器输出的速度指令，θ_m2为第二跟踪微分器输出的实际速度。

与PID控制器203连接的速度控制器204接收PID控制器203输出的速度指令ω_r，并获取永磁同步电机输出的实际速度ω_m，进一步对接收到的速度指令ω_r和实际速度ω_m进行解算，输出q轴的电流指令i_q，其中q轴为交轴，与转子磁场方向垂直。

与速度控制器204连接的电流矢量控制器205接收速度控制器204输出的q轴的电流指令i_q，采用i_d=0的矢量控制方法对电流指令进行矢量控制，其中d轴为直轴，与转子磁场方向平行。经过矢量控制的电流指令，进一步通过与电流矢量控制器205连接的脉宽调制器206进行空间矢量脉宽调制，输出六路脉冲宽度调制波至逆变器207，逆变器207将接收到的六路脉冲宽度调制波逆变后，生成控制永磁同步电机208的三相电压。

在上述实施例中，θ_r1为位置指令θ_r经过第一跟踪微分器解算得到的新的位置指令，θ_r2为第一跟踪微分器相应解算得到的微分指令，即新的速度指令，由于θ_r2是经过积分得到的，因此解决了如何获得位置指令θ_r的近似微分问题。同时，新的速度反馈θ_m2也是经过第二跟踪微分器积分得到的，有效抑制了实际位置θ_m中的测量噪声和干扰，因此，本发明缩短了系统的换向时间，克服了经典PID控制中系统响应速度和超调之间的矛盾，并且实现了伺服系统定位的快速性、准确性和无超调。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机位置扫描控制方法，其特征在于，包括：

获取上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置；

对所述上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并根据解算后得到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令；

获取永磁同步电机的实际速度；

对所述PID调节后的速度指令和永磁同步电机的实际速度进行解算，生成电流指令；

调制所述电流指令，生成控制永磁同步电机的电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并根据解算后得到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令具体为：

通过跟踪微分器对所述上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并将解算得到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度输出至与其连接的主控制器；

所述主控制器根据接收到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述PID调节后的速度指令和永磁同步电机的实际速度进行解算，生成电流指令具体为：

通过主控制器对所述PID调节后的速度指令和永磁同步电机的实际速度进行解算，生成电流指令。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过跟踪微分器对所述上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并将解算得到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度输出至与其连接的主控制器具体为：

通过第一跟踪微分器对所述上位机发出的位置指令进行解算，得到解算后的位置指令和速度指令，并将解算后得到的所述位置指令和速度指令发送至与其连接的主控制器；

通过第二跟踪微分器对所述永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的实际位置和实际速度，并将解算后的所述实际位置和实际速度发送至与其连接的主控制器。

5.一种永磁同步电机位置扫描控制系统，其特征在于，包括：跟踪微分器和主控制器；其中：

所述跟踪微分器与所述主控制器连接，所述跟踪微分器接收上位机发出的位置指令和永磁同步电机的实际位置，对所述位置指令和实际位置进行解算，得到解算后的位置指令、速度指令、实际位置和实际速度，并将解算后得到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度输出至所述主控制器；

所述主控制器根据接收到的所述位置指令、速度指令、实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令，并获取永磁同步电机的实际速度；

所述主控制器对所述PID调节后的速度指令和所述永磁同步电机的实际速度进行解算后输出电流指令，并对所述电流指令进行调制后生成控制永磁同步电机的电压。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述跟踪微分器包括：第一跟踪微分器和第二跟踪微分器；其中：

所述第一跟踪微分器对所述上位机发出的位置指令进行解算，得到解算后的位置指令和速度指令，并将解算后得到的所述位置指令和速度指令发送至与其连接的主控制器；

所述第二跟踪微分器对所述永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的实际位置和实际速度，并将解算后的所述实际位置和实际速度发送至与其连接的主控制器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述主控制器包括：PID控制器、速度控制器、电流矢量控制器、脉宽调制器和逆变器；其中：

所述PID控制器分别与所述第一跟踪微分器、第二跟踪微分器和速度控制器连接，所述PID控制器根据所述第一跟踪微分器输出的解算后的位置指令和速度指令，所述第二跟踪微分器输出的解算后的实际位置和实际速度进行PID调节，生成PID调节后的速度指令，并将所述PID调节后的速度指令发送至所述速度控制器；

所述速度控制器获取永磁同步电机的实际速度，并对接收到的所述PID调节后的速度指令和获取到的所述永磁同步电机的实际速度进行解算，输出电流指令，并将所述电流指令发送至与其连接的电流矢量控制器；

所述电流矢量控制器对接收到的所述电流指令进行矢量控制，并通过与其连接的脉宽调制器进行空间矢量脉宽调制后，输出六路脉冲宽度调制波；

所述逆变器与所述脉宽调制器连接，接收所述脉宽调制器输出的六路脉冲宽度调制波，将所述六路脉冲宽度调制波逆变后，生成控制永磁同步电机的三相电压。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一跟踪微分器对所述上位机发出的位置指令进行解算，得到解算后的位置指令和速度指令的公式为：

e_r=θ_r-θ_r1；

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{r1}={\mathrm{\&theta;}}_{r2};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{r2}=-r\&times;\mathrm{fal}(e_r,a,\mathrm{\&delta;});$

$\mathrm{fal}(e_r,a,\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{c}{\left|e_r\right|}^a\mathrm{sgn}\left(e\right),\left|e_r\right|>\mathrm{\&delta;}\\ \frac{e_r}{{\mathrm{\&delta;}}^{1-a}},\left|e_r\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,0<a<1;$

其中，e_r为位置指令误差，θ_r为位置指令，θ_r1为第一跟踪微分器对位置指令θ_r进行解算后输出的位置指令，

为第一跟踪微分器对位置指令θ_r1微分后输出的速度指令，θ_r2为根据公式得到的第一跟踪微分器输出的速度指令，

为第一跟踪微分器对速度指令θ_r2微分后得到的微分信号，r为提前减速权重，δ为提前减速位置，fal(e_r,a,δ)为提前减速函数。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二跟踪微分器对所述永磁同步电机的实际位置进行解算，得到解算后的实际位置和实际速度的公式为：

e_m=θ_m-θ_m1；

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{m1}={\mathrm{\&theta;}}_{m2};$

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{m2}=-r\&times;\mathrm{fal}(e_m,a,\mathrm{\&delta;});$

$\mathrm{fal}(e_m,a,\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{c}{\left|e_m\right|}^a\mathrm{sgn}\left(e\right),\left|e_m\right|>\mathrm{\&delta;}\\ \frac{e_m}{{\mathrm{\&delta;}}^{1-a}},\left|e_m\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,0<a<1;$

其中，e_m为实际位置误差，θ_m为实际位置，θ_m1为第二跟踪微分器对实际位置θ_m进行解算后输出的实际位置，为第二跟踪微分器对实际位置θ_m1微分后输出的实际速度，θ_m2为根据公式

得到的第二跟踪微分器输出的实际速度，

为第二跟踪微分器对实际速度θ_m2微分后得到的微分信号，r为提前减速权重，δ为提前减速位置，fal(e_m,a,δ)为提前减速函数。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述PID控制器生成的速度指令为：

${\mathrm{\&omega;}}_r=k_p({\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_{m1})+k_d({\mathrm{\&theta;}}_{r2}-{\mathrm{\&theta;}}_{m2})+k_i{\&Integral;}_0^t({\mathrm{\&theta;}}_{r1}-{\mathrm{\&theta;}}_{m1})\mathrm{dt};$

其中，k_p为PID控制器的比例系数，k_d为PID控制器的微分系数，k_i为PID控制器的积分系数，θ_r1为第一跟踪微分器输出的位置指令，θ_m1为第二跟踪微分器输出的实际位置，θ_r2为第一跟踪微分器输出的速度指令，θ_m2为第二跟踪微分器输出的实际速度。

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