CN104660134A - 永磁同步伺服电机电流环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步伺服电机电流环控制方法，包括将电流环控制解耦为交轴电流控制和直轴电流控制。根据本发明的永磁同步伺服电机电流环控制方法，通过将电流环控制解耦为交轴电流控制和直轴电流控制，可以基本消除永磁同步伺服电机控制参数在调试过程中的耦合性，使电流环控制与直流有刷电机在调试过程中的难易程度基本相当，即有效地降低永磁同步伺服电机电流环控制的难度和复杂度，从而提高控制精度和响应速度。

Description

永磁同步伺服电机电流环控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器控制领域，具体而言，涉及一种永磁同步伺服电机电流环控制方法。

背景技术

对运载火箭及其有效载荷飞行器等的飞行控制执行闭环系统一般统称为机电伺服系统，机电伺服系统典型应用之一就是摇摆发动机或发动机喷管实现推力矢量控制，完成对火箭姿态的控制。固体火箭发动机以固体可燃烧药柱为燃料，具备存储时间长，维护性好，使用准备时间短，使用灵活等优点，是目前世界上主流的火箭发展方向之一。相应的，摇摆固体火箭发动机喷管的闭环控制伺服系统也是必备的控制系统设备。由于中大型固体火箭发动机推力矢量控制功率基本较大(五千瓦至十几千瓦以上)，固体火箭发动机推力矢量控制对伺服系统的控制精度、响应速度以及可靠性都有极高的要求，同时火箭控制系统对产品自身的重量、体积都有严格的要求。因此，在体积与重量等约束条件严格的条件下，实现伺服系统的精确控制和快速响应控制是一个关键的技术问题。

机电伺服系统主要由以下几个部分组成：机电传动机构、伺服电机、伺服控制驱动器、伺服动力电源。其中伺服动力电源为整个系统提供初级直流电能，伺服控制驱动器通过功率逆变电路，运行闭环控制算法，根据使用要求与系统状态信息，将伺服动力电源提供的直流电能逆变为三相交流电能，提供给伺服电机，而伺服电机作为整个系统的动力执行元件，输出转矩、转速机械功率，带动机电传动机构做功，实现推力矢量控制。

永磁同步伺服电机在运载火箭推力矢量控制中应用的实际上是三闭环控制方法，分别是电流环(力矩环)、速度环与位置环闭环控制。结合图1所示的典型的永磁同步伺服电机闭环控制原理图，最内环为电流环控制、中间环为速度环控制、最外环为位置环控制，三闭环共同作用，完成整个永磁同步伺服电机的位置伺服特性控制。

在三环闭环控制中，电流环闭环控制是速度环与位置环闭环控制的基础，也是决定系统稳定性、可靠性、控制精度与响应速度最关键的闭环控制，同时由于永磁同步伺服电机的非线性与耦合性，也是控制过程最复杂的闭环控制。如图2所示的永磁同步伺服电机与伺服控制驱动器连接原理图，应用于固体火箭推力矢量控制的永磁同步伺服电机由于对控制的精确度和响应的速度都有极高的要求，因此电流环控制需要采取创新的控制方法。

发明内容

本发明旨在提供一种提高控制精度和响应速度的永磁同步伺服电机电流环控制方法。

本发明提供了一种永磁同步伺服电机电流环控制方法，该方法包括将电流环控制解耦为交轴电流控制和直轴电流控制。

进一步地，交轴电流控制包括电阻补偿控制，电阻补偿控制包括：按照交轴电流指令的大小分为多个区间，且每个区间对应设置电阻补偿参数，将交轴电流指令与其所在的区间的电阻补偿参数的乘积作为电阻补偿控制的输出量。

进一步地，交轴电流控制还包括比例控制，比例控制包括：按照交轴电流指令的大小分为多个区间，且每个区间对应设置比例参数，将交轴电流指令与交轴反馈电流的差值与交轴电流指令所在的区间的比例参数的乘积作为比例控制的输出量。

进一步地，交轴电流控制还包括反电势补偿控制，反电势补偿控制包括：按照永磁同步伺服电机转速的大小分为多个区间，且每个区间对应设置反电势补偿参数，将永磁同步伺服电机转速与其所在的区间的反电势补偿参数的乘积作为反电势补偿控制的输出量。

进一步地，交轴电流控制还包括将电阻补偿控制的输出量、比例控制的输出量和反电势补偿控制的输出量按照逻辑或运算，得到交轴电流控制的输出量。

进一步地，直轴电流控制包括比例分段控制，按照直轴电流指令的大小分为多个区间，且每个区间对应设置比例参数，将直轴电流指令与直轴反馈电流的差值与直轴电流指令所在的区间的比例参数的乘积作为比例分段控制的输出量。

进一步地，直轴电流控制还包括积分控制，积分控制包括设置积分系数，将电流偏差与积分系数的积作为积分控制的输出量。

进一步地，直轴电流控制还包括将比例分段控制的输出量和积分控制的输出量按照逻辑或运算，得到直轴电流控制的输出量。

根据本发明的永磁同步伺服电机电流环控制方法，通过将电流环控制解耦为交轴电流控制和直轴电流控制，可以基本消除永磁同步伺服电机控制参数在调试过程中的耦合性，使电流环控制与直流有刷电机在调试过程中的难易程度基本相当，即有效地降低永磁同步伺服电机电流环控制的难度和复杂度，从而提高控制精度和响应速度。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中的永磁同步伺服电机闭环控制方案原理图；

图2是现有技术中的永磁同步伺服电机与伺服控制驱动器连接原理图；

图3根据本发明的永磁同步伺服电机的交轴电流控制原理图；

图4根据本发明的永磁同步伺服电机的直轴电流控制原理图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

结合图3和图4所示，根据本发明的永磁同步伺服电机电流环控制方法，将电流环控制解耦为如图3所示的交轴(q轴)电流控制10和如图4所述的直轴(d轴)电流控制20，交轴电流与直轴电流会通过永磁同步电机本体进行耦合，在实际控制过程中不能完全解耦，只能尽最大可能完成解耦控制，将耦合性降到最低。

具体地，结合图3所示，以运载火箭的推力矢量控制为例，永磁同步伺服电机电流环的交轴(q轴)电流控制分为三个组成部分，每个组成部分分别实现不同的控制功能，三个组成部分最终以“或”的关系相加，其相加结果作为交轴(q轴)电流环的控制输出，共同完成交轴(q轴)的电流环闭环控制。这三个组成部分分别为电阻补偿控制11、比例控制12、与反电势补偿控制13，且都使用了非线性分段补偿的控制方法。

交轴(q轴)电流控制的电阻补偿控制11可以实现在不使用积分控制的条件下，完成交轴(q轴)电流的无静差跟随。由于交轴电流控制取消了积分控制作为内环控制，可以提高系统的响应速度与稳定性，提高系统的带宽。其方法为根据实际的物理系统存在死区等非线性，电阻补偿控制11使用的非线性分段控制方法为根据交轴电流指令的大小，分为多个区间，一般以每15A作为一个区间，每个区间设置不同的补偿参数，用交轴电流指令乘以相对应的补偿参数即为电阻补偿控制11的输出量，采用电阻补偿控制11可以更精确的满足交轴(q轴)电流的跟随情况。即在永磁同步伺服电机转子轴抱死的情况下，在无比例控制12等其他任何控制的情况下，在任何电流指令的输入条件下，均可实现交轴(q轴)电流的准确跟随。

交轴(q轴)电流控制的比例控制12可以实现交轴(q轴)电流的控制的快速性。其方法为针对推力矢量控制对永磁同步伺服电机的电流控制快速性要求，比例控制12采取了非线性分段控制的方法，根据交轴电流指令的大小，分为多个区间，一般为每15A作为一个区间，每个区间设置不同的比例系数，用电流偏差(即交轴电流指令与交轴反馈电流的差值)乘以比例系数即为比例控制12的输出量，这一方法可以更精确的满足交轴(q轴)电流快速响应的要求，在控制过程中，实现电流的快速跟随，同时电流控制稳定，无振荡环节出现。

交轴(q轴)电流控制的反电势补偿控制13可以实现电机在转动过程中对反电势电压的补偿。由于使用了补偿环节，抵消由电机旋转产生的反电势，可以实现控制电压按照预期产生一定时间恒定的交轴(q轴)控制电流，用以产生控制力矩，提供永磁同步伺服电机的输出加速度，提高系统的响应速度，提高系统的控制带宽。其方法为根据永磁同步伺服电机在不同转速下反电动势的差异，每500rpm作为一个区间，每个区间设置不同的补偿参数，通过使用传感器采集永磁同步伺服电机的旋转速度，用旋转速度乘以该补偿系数即为反电势补偿控制13的输出量。这一控制方法可以最大程度上补偿由于永磁同步伺服电机旋转产生反电动势而造成的控制电压下降，可以在10mm量级的时间内维持交轴(q轴)较大的控制电流，从而提供系统的加速度，满足推力矢量控制对永磁同步伺服电机动态加速度与系统带宽的要求。

如图4所示，永磁同步伺服电机电流环的直轴(d轴)电流控制20分为两个组成部分，每个组成部分分别实现不同的控制功能，两个组成部分最终以“或”的关系相加，其相加结果作为直轴(d轴)电流环的控制输出，共同完成直轴(d轴)的电流环闭环控制。这两个组成部分分别为比例分段控制21和积分控制22，其中比例分段控制21使用了非线性分段的控制方法，积分控制22使用了防饱和的处理方法。

直轴(d轴)电流控制的比例分段控制可以实现将直轴(d轴)电流快速控制到0附近，以实现交轴、直轴的解耦控制(控制目的为使d轴电流尽可能为0)。其方法为针对推力矢量控制对永磁同步伺服电机的直轴(d轴)控制要求，直轴(d轴)电流比例分段控制21采取了非线性分段控制的方法，按照直轴电流指令的大小分为多个区间，一般为每15A作为一个区间，每个区间设置不同的比例系数，用电流偏差(直轴电流指令与直轴反馈电流)乘以比例系数即为比例分段控制21的输出量，这一方法可以更快速的将直轴(d轴)电流控制到0附近，同时电流控制稳定，无振荡环节出现。

直轴(d轴)电流控制的积分控制22可以将直轴(d轴)的稳态电流控制到0，以在稳态条件下实现直轴(d轴)与交轴(q轴)的彻底解耦控制。其方法为通过设计积分系数，电流偏差(直轴电流指令与直轴反馈电流)乘以积分系数即为积分控制22的输出量，直轴电流的积分控制22与比例分段控制21共同作用，可以更快速的在稳态条件下将直轴(d轴)电流完全控制到0，同时电流控制稳定，无振荡环节出现。

在本发明中，伺服控制器、伺服驱动器、机电作动器、伺服动力电源、电源转接器等产品，现有发明均有涉及或者有现成产品，可以做为本发明的部件或一部分。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、可以最大程度上实现永磁同步伺服电机直轴、交轴分量的解耦控制，从而基本消除永磁同步伺服电机控制参数在调试过程中的耦合性，使永磁同步伺服电机的电流环控制与直流有刷电机在调试过程中的难易程度基本相当；

2、可以在不使用积分的情况下，实现伺服电机电流的“无静差”跟随，实现永磁同步伺服电机的精确控制，消除了内环使用积分带来的系统振荡风险或系统静差带来的控制精度较低的问题；

3、可以最大程度上实现在静态条件下永磁同步伺服电机电流上升的快速性，提高系统的响应速度；

4、可以精确并快速补偿由于永磁同步伺服电机旋转产生反电动势后消耗的供电电压，补偿的电压用以提供控制电流，可以持续提升电机的加速度，实现永磁同步电机的高动态响应速度，拓宽系统带宽；

5、可以在提高永磁同步伺服电机电流环控制精度与响应速度的情况下，进一步提升电流环的控制稳定性，进而保证整个机电伺服系统的控制绝对稳定性；

6、可以在最大程度上抑制永磁同步伺服电机的直轴(d轴)电流，减小系统工作过程中的扰动，保证系统的控制精度；

7、可以在永磁同步伺服电机高速制动过程中避免电流突变过大导致功率器件损坏，且能够确保系统极高的响应速度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种永磁同步伺服电机电流环控制方法，其特征在于，所述方法包括将电流环控制解耦为交轴电流控制和直轴电流控制。

2.根据权利要求1所述的永磁同步伺服电机电流环控制方法，其特征在于，

所述交轴电流控制包括电阻补偿控制，所述电阻补偿控制包括：按照交轴电流指令的大小分为多个区间，且每个区间对应设置电阻补偿参数，将所述交轴电流指令与其所在的区间的电阻补偿参数的乘积作为所述电阻补偿控制的输出量。

3.根据权利要求2所述的永磁同步伺服电机电流环控制方法，其特征在于，

所述交轴电流控制还包括比例控制，所述比例控制包括：按照交轴电流指令的大小分为多个区间，且每个区间对应设置比例参数，将所述交轴电流指令与交轴反馈电流的差值与所述交轴电流指令所在的区间的比例参数的乘积作为所述比例控制的输出量。

4.根据权利要求3所述的永磁同步伺服电机电流环控制方法，其特征在于，

所述交轴电流控制还包括反电势补偿控制，所述反电势补偿控制包括：按照永磁同步伺服电机转速的大小分为多个区间，且每个区间对应设置反电势补偿参数，将所述永磁同步伺服电机转速与其所在的区间的反电势补偿参数的乘积作为所述反电势补偿控制的输出量。

5.根据权利要求4所述的永磁同步伺服电机电流环控制方法，其特征在于，

所述交轴电流控制还包括将所述电阻补偿控制的输出量、所述比例控制的输出量和所述反电势补偿控制的输出量按照逻辑或运算，得到所述交轴电流控制的输出量。

6.根据权利要求1所述的永磁同步伺服电机电流环控制方法，其特征在于，

所述直轴电流控制包括比例分段控制，按照直轴电流指令的大小分为多个区间，且每个区间对应设置比例参数，将所述直轴电流指令与直轴反馈电流的差值与所述直轴电流指令所在的区间的比例参数的乘积作为所述比例分段控制的输出量。

7.根据权利要求6所述的永磁同步伺服电机电流环控制方法，其特征在于，

所述直轴电流控制还包括积分控制，所述积分控制包括设置积分系数，将电流偏差与所述积分系数的积作为所述积分控制的输出量。

8.根据权利要求7所述的永磁同步伺服电机电流环控制方法，其特征在于，

所述直轴电流控制还包括将所述比例分段控制的输出量和所述积分控制的输出量按照逻辑或运算，得到所述直轴电流控制的输出量。