CN103401500A

CN103401500A - 一种基于重复控制器的高精度永磁同步电机交流伺服系统转速脉动抑制方法

Info

Publication number: CN103401500A
Application number: CN2013103650488A
Authority: CN
Inventors: 李世华; 王军晓; 孙志远; 戴安刚; 孙振兴; 杨俊�; 扶文树; 齐丹丹
Original assignee: NANJING ESTUN AUTOMATIC CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd; Southeast University; Nanjing Estun Automation Co Ltd
Current assignee: Southeast University; Nanjing Estun Automation Co Ltd
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: CN103401500B

Abstract

一种基于重复控制器的高精度永磁同步电机交流伺服系统转速脉动抑制方法，适用于永磁同步电机的高精度控制，该方法首先采集得到稳态速度波动信息，通过快速傅里叶分析得到给各个速度下的首要频率波动分量和次要频率波动分量，根据实验数据建立给定速度与两个频率波动分量的对应数据表格，在此基础上将电流环和电机作为广义对象在速度环设置重复控制器抑制稳态波动，为保证系统动态输出性能，结合PI控制器得到复合控制器输出。该方法实现简单，参数调节较少，可以有效地减小永磁同步电机交流伺服系统稳态波动，从而达到提高永磁同步电机交流伺服系统稳态精度的目的，满足高性能永磁同步电机交流伺服领域应用。

Description

一种基于重复控制器的高精度永磁同步电机交流伺服系统转速脉动抑制方法

技术领域

本发明涉及伺服电机系统，尤其涉及一种基于重复控制器的高精度永磁同步电机交流伺服系统的转速脉动抑制方法。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电子技术、数字控制技术和现代电机控制理论的巨大进步，为交流伺服系统的发展创造了有利条件，特别是在机器人、精密雷达、军用武器、数控机床等对交流伺服电机性能、控制精度要求越来越高的领域，交流伺服系统受到越来越多的关注。

目前，永磁同步电机交流伺服调速系统多采用双闭环的控制结构，即内环为电流控制环，外环为速度控制环。控制器多采用PID调节器。其中电流环的作用是提高系统的快速性，及时抑制电流内部的干扰；速度环的作用是提高系统抗负载扰动的能力，抑制速度稳态波动。

在实际调速系统中，由于交流伺服系统的工作场合大多要求精度相当高，但是由于目前采用的PID控制器稳态时速度输出会存在许多扰动，这种扰动主要以周期信号为主，产生稳态速度周期扰动的原因有电机的磁极齿槽效应、气隙磁场、电流测量误差、速度测量误差等，如果控制器不对周期扰动进行处理，则闭环系统的性能很难达到高精度伺服性能。因此在交流伺服系统存在稳态周期扰动的情况下，如果在交流伺服系统速度环能够及时的对周期扰动进行处理，就能够进一步提高交流伺服系统的伺服精度，满足交流伺服系统在高精度伺服领域的应用。

为了消除稳态周期扰动带来的影响，提高系统的伺服性能，国内外学者进行了大量的研究。文献(储剑波,胡育文,黄文新,杨建飞.一种抑制永磁同步电机转速脉动的方法[J].电工技术学报,2005,25(22):125-128.设计了重复控制器永磁同步电机转速脉动存在的周期扰动，但是该方法只考虑单一频率扰动且没考虑速度变化情况下重复控制器参数对速度的自整定性，针对永磁同步电机调速系统，文献（PaoloMattavelli,LucaTubiana,MauroZigliotto.Torque-ripplereductioninPMsynchronousmotordrivesusingrepetitivecurrentcontrol.IEEETransactionsonPowerElectronics,2005,20(6):1423-1431）提出了在电流环加入重复控制器，抑制交流同步电机的转矩脉动，实验结果表明，该方案能够很好地抑制永磁同步电机交流伺服系统的周期转矩脉动。

发明内容

本发明的目的在于针对交流伺服系统存在稳态周期速度扰动的情况，首先利用快速傅里叶分析对实验中采集的速度信息进行分析得到稳态时速度波动首要频率和次要频率，然后根据数据建立给定速度与对应扰动频率的数据表格，并在此基础上利用已有的重复控制理论设计重复控制器，通过速度给定信息自动地调节重复控制器的参数，另外为保证系统的动态响应，本系统设计了PI控制器，然后利用重复控制器结合PI控制器构成系统速度环复合控制器，该方法易于实现，参数调节相对简单。

本发明的具体步骤如下：

步骤一：给定一个速度指令信号，然后通过在实验基础上得到给定速度与对应周期波动频率的数据表格自动地得到该速度下的首要频率和次要频率，该数据表格是通过实验得到速度脉动信息并进行频谱分析得到首要和次要频率分量与速度的对应关系而建立的，首要频率是指在稳态速度波动分量中幅度最大的频率分量，次要频率指的是稳态速度波动分量中幅度第二大的频率分量，根据给定速度ω^*信息通过数据表格自动得到扰动频率的分量为f₁，f₂。

步骤二：在得到交流伺服系统速度周期扰动频率的基础上自动地调节重复控制器的参数M₁，M₂(T_c为采样周期，这里M₁，M₂是根据式（1）计算出来后进行四舍五入后的整数)，得到重复控制器的输出u_rep。

f_{1} = \frac{1}{M_{1} T_{c}}

（1）

f_{2} = \frac{1}{M_{2} T_{c}}

u_{rep} = (\frac{1}{{1 + e}^{- M_{1} T_{c} s} F_{1} (s)} + \frac{1}{{1 + e}^{- M_{2} T_{c} s} F_{2} (s)}) G_{f} (s)

G_{f} (s) = \frac{2 (s^{2} + \frac{k_{P} k_{t}}{J} s + \frac{k_{t} k_{I}}{J})}{3 (k_{P} s^{2} + k_{I} s)}

F_{1} (s) = \frac{1}{τ_{1} s + 1} - - - (2)

F_{2} (s) = \frac{1}{τ_{2} s + 1}

其中F₁(s),F₂(s),G_f(s)为低通滤波器和系统稳定性补偿环节（k_P，k_I为PI控制器参数，J是电机和负载总的等效转动惯量，K_t是力矩系数，τ₁，τ₂为滤波器截止时间常数），u_rep为重复控制器的输出，与PI控制器输出u_PI并联输出构成了复合控制器输出i_q ^*。复合控制器的输出表达式如式（3）

u_PI=k_P(ω^*-ω)+k_I∫(ω^*-ω) （3）

i_q ^*=u_rep+u_PI

本发明具有以下有益结果：本发明将重复控制器和PI控制相结合应用于交流伺服系统，在保证系统动态性能的情况下，可以明显地抑制稳态速度周期波动，从而提高交流伺服系统速度的稳态伺服精度。

基于重复控制器和PI控制器相结合的复合控制方法应用于交流伺服系统，在保证动态性能的情况下，可以明显提高交流伺服系统的伺服精度，满足永磁同步电机在高精度伺服领域的应用，工程人员只需要较少地调节控制器参数，与现有的技术相比，具有设计原理简单，在确保动态性能的基础上对交流伺服系统的稳态精度明显有改善，对周期扰动具有良好的适应性等优点。

附图说明

图1为本发明基于重复控制和PI控制的复合控制器系统控制框图；

图2为基于复合控制器的永磁同步电机交流伺服系统原理图；

图3为重复控制器结构图；

图4A为速度给定为500r/min的永磁同步电机交流伺服系统速度响应实验对比图；

图4B为PI控制器下速度给定为500r/min的永磁同步电机交流伺服系统速度波动频谱图；

图4C为RC+PI复合控制器下速度给定为500r/min的永磁同步电机交流伺服系统速度波动频谱图；

图5A为速度给定在1500r/min的永磁同步电机交流伺服系统速度响应实验对比图；

图5B为PI控制器下速度给定为1500r/min的永磁同步电机交流伺服系统速度波动频谱图；

图5C为RC+PI复合控制器下速度给定为1500r/min的永磁同步电机交流伺服系统速度波动频谱图；

图6为伺服实验平台实物图。

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实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实例。

根据对交流伺服系统的数学模型为：

其中，J是电机和负载总的等效转动惯量，K_t是力矩系数，L=L_d=L_q，例如取永磁同步电机对象参数为J=1.78e-4kg/cm²，K_t=1.608N·m/A，L=0.004H，n_p=4，

R_s=1.74Ω，T_N=2.387N·m。

本实施例包括以下几个步骤：

步骤一：如图1所示结构图组建一个基于重复控制器和PI控制器相结合的复合控制方案，控制器是指控制的算法（如PID控制器）。

图1中的ω^*，ω，e_ω，

分别是速度给定信号、实际速度测量值、速度误差、控制器输出。给定一个速度指令，如图1所示，由公式（1）可以自动计算得出重复控制器的参数值，重复控制器内部结构原理如图3所示。

步骤二：根据自动计算得出的重复控制器参数，利用重复控制和PI控制相结合得出复合控制器输出，基于复合控制器的系统结构如图2。

本实例中的速度环控制器采用重复控制器和PI控制器相结合的复合控制方案，其k_P，k_I可以调节，这里F₁(s)，F₂(s)为低通滤波器，截止频率可以根据系统的情况来调节，G_f(s)确保系统是稳定的（k_P，k_I为PI控制器参数，J是电机和负载总的等效转动惯量，K_t是力矩系数，τ₁，τ₂为滤波器截止时间常数）。

u_{rep} = (\frac{1}{{1 + e}^{- M_{1} T_{c} s} F_{1} (s)} + \frac{1}{{1 + e}^{- M_{2} T_{c} s} F_{2} (s)}) G_{f} (s)

G_{f} (s) = \frac{2 (s^{2} + \frac{k_{P} k_{t}}{J} s + \frac{k_{t} k_{I}}{J})}{3 (k_{P} s^{2} + k_{I} s)}

F_{1} (s) = \frac{1}{τ_{1} s + 1}

F_{2} (s) = \frac{1}{τ_{2} s + 1}

u_PI=k_P(ω^*-ω)+k_I∫(ω^*-ω)

（7）

i_q ^*=u_rep+u_PI

如图6所示，为了进一步验证本实施例提出的重复控制器和PI控制器的复合控制方案的有效性，本实施例中的实验平台是永磁同步电机系统，采用基于DSP的全数字控制实现方式，编程语言为C语言。系统的主要组成部分有：由TI公司的DSP芯片TMS320系列芯片TMS320F2808为核心组成的控制电路部分、由智能功率器件（Intelligent Power Module，简称IPM）为核心的逆变器电路部分及永磁同步电机，光电编码器和霍尔器件等传感器，还包括键盘及显示模块和通信模块。各个器件的主要用途为：霍尔传感器用于采集两路电流信号i_A,i_B，光电编码器在电机内部用于采集电机的转速信号及转子位置；TMS320F2808DSP为整个伺服系统的核心，用于完成坐标变换、速度控制器和电流控制器的运算、SVPWM信号的生成等核心运算；键盘和显示模块用于设定参数及显示当前系统状态；通信模块用于和上位机进行通信（串口通信）；逆变器电路以功率器件IPM为核心，它根据DSP生成的SVPWM控制信号，将电源输入转换成相应的三相交流电压，用于驱动电机工作。

假设电机不存在负载扰动时，速度环PI控制器参数为k_P=200，k_I=200。实验时分别给出的速度指令分别的500r/min，1500r/min，图4（A、B、C）和图5（A、B、C）分别给出了PI控制器与基于重复控制器和PI控制器的复合控制方案速度和波动频率稳态实验前后波动对比图，RC代表重复控制器，PI代表PI控制器，RC+PI代表复合控制器，从图4（A、B、C）和图5（A、B、C）可以看出，复合控制器参数自动调节良好。

本实施例将基于重复控制与PI控制相结合的复合控制算法应用于交流伺服系统，可以高效地完成对交流伺服电机抗周期扰动的高性能。实验结果表明：本方法普适性强，对速度稳态的周期波动情况，有良好的抗扰动性能，而且可以明显地提高交流伺服系统的伺服精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于重复控制器的高精度永磁同步电机交流伺服系统转速脉动抑制方法，其特征在于：首先对永磁同步电机调速系统的速度脉动信息进行数据分析得到永磁同步电机的稳态速度首要扰动频率分量和次要扰动频率分量，并在此基础上建立给定速度与扰动频率的对应数据表；然后在速度环通过重复控制器和PI控制器相结合的复合控制器对转速稳态波动进行抑制。

2.根据权利要求1所述的一种基于重复控制器的高精度交流伺服系统转速脉动抑制方法，其特征在于：所述永磁同步电机是交流永磁同步电机，所述电机的控制策略是矢量控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于重复控制器的高精度交流伺服系统转速脉动抑制方法，所述重复控制器用于产生周期内模信号抑制速度波动分量中的首要扰动频率分量和次要扰动频率分量，包括以下步骤：

步骤一、给定一个速度指令信号，然后通过在实验数据基础上得到给定速度与对应周期波动频率的数据表格自动地得到该速度下的首要频率和次要频率，首要频率是指在稳态速度波动分量中幅度最大的频率分量，次要频率指的是稳态速度波动分量中幅度第二大的频率分量，根据给定速度ω^*信息通过数据表格自动得到扰动频率的分量f₁，f₂；

步骤二、在得到永磁同步电机速度周期扰动频率的基础上自动地调节重复控制器的参数M₁，M₂，T_c为采样周期，这里M₁，M₂是根据式（1）计算出来后进行四舍五入后的整数，得到复合控制器的输出如式（3）：

f_{1} = \frac{1}{M_{1} T_{c}}

（1）

f_{2} = \frac{1}{M_{2} T_{c}}

u_{rep} = (\frac{1}{{1 + e}^{- M_{1} T_{c} s} F_{1} (s)} + \frac{1}{{1 + e}^{- M_{2} T_{c} s} F_{2} (s)}) G_{f} (s)

G_{f} (s) = \frac{2 (s^{2} + \frac{k_{P} k_{t}}{J} s + \frac{k_{t} k_{I}}{J})}{3 (k_{p} s^{2} + k_{I} s)}

F_{1} (s) = \frac{1}{τ_{1} s + 1} - - - (2)

F_{2} (s) = \frac{1}{τ_{2} s + 1}

其中F₁(s),F₂(s),G_f(s)为低通滤波器和系统稳定性补偿环节，k_P，k_I为PI控制器参数，J是电机和负载总的等效转动惯量，K_t是力矩系数，τ₁，τ₂为滤波器截止时间常数，通过公式（2）得到重复控制器的输出u_rep，其与PI控制器输出u_PI并联构成了复合控制器输出i_q ^*，复合控制器的输出如下：

u_PI=k_P(ω^*-ω)+k_I∫(ω^*-ω)

（3）。

i_q ^*=u_rep+u_PI

4.根据权利要求3所述的一种基于重复控制器的高精度交流伺服系统转速脉动抑制方法，其特征是，所述步骤一中重复控制中需要的周期波动首要频率和次要频率信息可以在实验数据基础上通过建立的数据表格自动得到。

5.根据权利要求3所述的一种基于重复控制器的高精度交流伺服系统转速脉动抑制方法，其特征是，所述步骤二中采用重复控制器与PI控制器相结合的复合控制方法，且重复控制器的参数可以根据建立的数据表格自动得到从而可以计算得到最终的复合控制器输出。