CN104660142A - 一种电机控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机控制系统和方法，系统包括负载观测器，其负载观测器的第一输入端用于接收电流环控制电路输出的电机电压值，第二输入端用于接收电机的电机角度信息；负载观测器具体用于依据接收到的电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值；并将电机转速估计值通过负载观测器的第一输出端发送至速度环控制电路的输入端，将处理后的电机负载转矩估计值通过负载观测器的第二输出端发送至速度环控制电路的输出端。本发明中的负载观测器实现了对电机负载转矩的观测，即充分考虑了电机负载变化，且其与速度环控制电路的连接关系形成二自由度控制器，可有效提高速度环控制电路的性能，提高了电机控制的精度。

Description

一种电机控制系统和方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，更具体地说，涉及一种电机控制系统和方法。

背景技术

电机应用遍及信息处理、音响设备、汽车电气设备、国防、航空航天、工农业生产、日常生活等各个领域，在这些应用领域中对电机控制的精度有着越来越高的要求。

现有的电机控制方法主要应用于直流有刷电机(DC)、直流无刷电机(BLDC)、永磁同步电机等电机。以永磁同步电机的三环控制方法为例，如图1所示，其采用经典的PID(比例-积分-微分)控制方法，控制一般分为电流环控制、速度环控制和位置环控制。虽然PID控制方法具有容易理解、使用简单、不依赖于被控对象的具体模型等优点，但其在高精度位置控制、高精度速度控制以及高动态控制时，是基于电机转速的反馈来消除误差，而由于电机转速往往包含比较大的量化误差，会直接影响电机控制的精度，尤其在电机负载变化比较大时，其电机控制的精度更大大降低了。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电机控制系统和方法，以解决现有技术中电机控制的精度不高的问题。技术方案如下：

基于本发明的一方面，本发明提供一种电机控制系统，包括利用位置控制器、速度控制器和电流控制器构成的三环控制电路，所述三环控制电路包括电流环控制电路、速度环控制电路和位置环控制电路，所述电机控制系统还包括：负载观测器；其中，

所述负载观测器的第一输入端用于接收所述电流环控制电路输出的电机电压值，所述负载观测器的第二输入端用于接收电机的电机角度信息；

所述负载观测器具体用于依据接收到的所述电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值；并将所述电机转速估计值通过所述负载观测器的第一输出端发送至所述速度环控制电路的输入端，经处理后的电机负载转矩估计值通过所述负载观测器的第二输出端发送至所述速度环控制电路的输出端。

较优的，所述电机控制系统还包括电机位置传感器，所述电机位置传感器用于检测所述电机的电机角度信息。

较优的，所述负载观测器用于依据接收到的所述电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值，包括：

利用公式 $\left\{\begin{array}{c}w=c_1(1-c_1{e}^{-c_{1}t})\mathrm{\θ}\\ \frac{d\hat{w}}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\hat{T}}_L}{J}-\frac{{\mathrm{\Ψ}}_f{p}_n{k}_t}{\mathrm{JR}}+\frac{u_q}{\mathrm{JR}}{k}_t+c_2(w-\hat{w})\\ \frac{d{\hat{T}}_L}{\mathrm{dt}}=c_3(\hat{w}-w)\end{array}\right.,$ 计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值；

其中为所述电机转速估计值，为所述电机负载转矩估计值，θ为电机角度信息，u_q为q轴电流控制器输出的电机电压值，Ψ_f为永磁体励磁磁链，k_t为电机的力矩常数，k_t＝1.5p_nΨ_f，R为定子相电阻，p_n为电机的极对数，C₁、C₂、C₃为所述负载观测器的可调参数，C₁、C₂、C₃均为正数，J为电机转子转动惯量。

较优的，处理所述电机负载转矩估计值具体为：将所述电机负载转矩估计值除以电机的力矩常数k_t。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种电机控制方法，应用于上述权利要求任一项所述的电机控制系统中，所述电机控制方法包括：

检测并获取电机控制系统中电机的电机角度信息以及电流环控制电路输出的电机电压值；

依据所述电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值；

将所述电机转速估计值反馈回所述电机控制系统中的速度环控制电路的输入端，将处理后的电机负载转矩估计值反馈回所述电机控制系统中的速度环控制电路的输出端，以使得所述电机控制系统依据所述电机转速估计值和处理后的电机负载转矩估计值进行自动调节。

较优的，所述依据所述电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值，包括：

利用公式 $\left\{\begin{array}{c}w=c_1(1-c_1{e}^{-c_{1}t})\mathrm{\θ}\\ \frac{d\hat{w}}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\hat{T}}_L}{J}-\frac{{\mathrm{\Ψ}}_f{p}_n{k}_t}{\mathrm{JR}}+\frac{u_q}{\mathrm{JR}}{k}_t+c_2(w-\hat{w})\\ \frac{d{\hat{T}}_L}{\mathrm{dt}}=c_3(\hat{w}-w)\end{array}\right.,$ 计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值；

其中为所述电机转速估计值，为所述电机负载转矩估计值，θ为电机角度信息，u_q为q轴电流控制器输出的电机电压值，Ψ_f为永磁体励磁磁链，k_t为电机的力矩常数，k_t＝1.5p_nΨ_f，R为定子相电阻，p_n为电机的极对数，C₁、C₂、C₃为所述负载观测器的可调参数，C₁、C₂、C₃均为正数，J为电机转子转动惯量。

较优的，所述处理后的电机负载转矩估计值为将所述电机负载转矩估计值除以电机的力矩常数k_t后得到的值。

应用本发明的上述技术方案，本发明提供一种电机控制系统和方法，系统包括利用位置控制器、速度控制器和电流控制器构成的三环控制电路，所述三环控制电路包括电流环控制电路、速度环控制电路和位置环控制电路，系统还包括负载观测器，其中负载观测器的第一输入端用于接收电流环控制电路输出的电机电压值，第二输入端用于接收电机的电机角度信息；负载观测器具体用于依据接收到的电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值；并将电机转速估计值通过负载观测器的第一输出端发送至速度环控制电路的输入端，将处理后的电机负载转矩估计值通过负载观测器的第二输出端发送至速度环控制电路的输出端。

本发明中的负载观测器实现了对电机负载转矩的观测，充分考虑了电机负载变化，相比于现有技术不考虑电机负载变化的技术方案相比，提高了电机控制的精度。同时，本发明的电机控制系统保留了现有PID控制方法中PID控制的主要结构，具有PID控制方法的各种优点，且进一步本发明将计算得到的电机转速估计值发送至PID控制方法中速度环控制电路的输入端，作为速度环控制电路的反馈量，将处理后的电机负载转矩估计值发送至速度环控制电路的输出端，作为速度环控制电路的前馈量，两者形成二自由度控制器，可以有效提高速度环控制电路的性能，从而进一步提高了电机控制的精度。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中PID控制电路的结构示意图；

图2为本发明提供的一种电机控制系统的结构示意图；

图3为本发明中负载观测器的观测结果示意图；

图4为本发明提供的一种电机控制方法的流程图。

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做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。

基于现有技术中只采用电机转速的反馈来消除误差，而电机转速往往包含比较大的量化误差，电机控制精度不高的电机控制方法，本发明提供一种电机控制系统和方法，本发明提供的电机控制系统如图2所示，保留现有PID控制方法的主要结构，即包括利用位置控制器100、速度控制器200和电流控制器300构成的三环控制电路，所述三环控制电路包括电流环控制电路、速度环控制电路和位置环控制电路，并在此基础之上，系统还包括负载观测器400，具体地，负载观测器400包括第一输入端401、第二输入端402、第一输出端403和第二输出端404，其中，

负载观测器400的第一输入端401用于接收电流环控制电路输出的电机电压值，第二输入端402用于接收电机的电机角度信息。

在本发明中，电机角度信息可以通过电机位置传感器检测得到，一般现有PID控制结构都包括电机位置传感器，因此本发明无需增设额外设备即可实现对电机的电机角度信息的检测，有效节约了成本。

负载观测器400具体用于依据接收到的电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值，并将电机转速估计值通过负载观测器400的第一输出端403发送至速度环控制电路的输入端，经处理后的电机负载转矩估计值通过负载观测器400的第二输出端404发送至速度环控制电路的输出端。

为了增强对比性，本发明也以永磁同步电机的控制方法为例进行说明。

在介绍本发明前，首先对于dq坐标系下的永磁同步电机的简化模型进行简单介绍。在该简化模型中，包括如下假设条件：

(1)忽略空间谐波，电机定子三相绕组在空间对称分布，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分步，忽略磁场的高次谐波分量；

(2)磁饱和及铁心损耗忽略不计；

(3)电机定子绕组的反电势是正弦波，转子与定子绕组之间的互感是转子位置角的正弦函数；

(4)不考虑温度、频率等的变化对电机参数的影响；

(5)三相供电电压认为是平衡的。

在上述假设条件下，Park与Clark变换及逆变换均采用等幅值变换，可得到如下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程：

电压方程：

u_q＝Ri_q+L_qpi_q+ω_eL_di_d+ω_eΨ_f

u_d＝Ri_d+L_dpi_d-ω_eL_qi_q

磁链方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_d=L_d{i}_d+{\mathrm{\Ψ}}_f\\ {\mathrm{\Ψ}}_q=L_q{i}_q\end{array}\right.$

电磁转矩方程：

T_em＝1.5p_n[Ψ_fi_q-(L_d-L_q)i_di_q]

机械运动方程：

$\mathrm{Jp}\frac{\mathrm{\ω}}{p_n}=T_{\mathrm{em}}-T_L$

其中，p为微分算子，u_q为交轴电压，u_d为直轴电压，i_q为交轴电流，i_d为直轴电流，R为定子相电阻，L_q为交轴电感，L_d为直轴电感，p_n为电机的极对数，ω_e为转子电角速度，ω为转机械角速度，且有ω_e＝ωp_n，Ψ_f为永磁体励磁磁链，T_L为电机的负载力矩，T_em为电机的电磁力矩。

其次使用i_d＝0的电流控制方法时电机的简化模型为：

假设电流调节带宽足够，且能保证i_d一直非常接近于零，那么此时可将永磁同步电机等效于一台直流电机。此时永磁同步电机模型的电压、电磁转矩方程如下：

电压方程：

u_q＝Ri_q+L_qpi_q+ω_eΨ_f

电磁力矩方程：

T_em＝1.5p_nΨ_fi_q＝k_ti_q

上式中，k_t为电机的力矩常数，k_t＝1.5p_nΨ_f。

那么具体在本发明中，负载观测器400利用公式：

$\left\{\begin{array}{c}w=c_1(1-c_1{e}^{-c_{1}t})\mathrm{\θ}\\ \frac{d\hat{w}}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\hat{T}}_L}{J}-\frac{{\mathrm{\Ψ}}_f{p}_n{k}_t}{\mathrm{JR}}+\frac{u_q}{\mathrm{JR}}{k}_t+c_2(w-\hat{w})\\ \frac{d{\hat{T}}_L}{\mathrm{dt}}=c_3(\hat{w}-w)\end{array}\right.$                    公式(1)

计算得到永磁同步电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值

其中为电机转速估计值，为电机负载转矩估计值，θ为电机角度信息，u_q为q轴电流控制器输出的电机电压值，Ψ_f为永磁体励磁磁链，k_t为电机的力矩常数，k_t＝1.5p_nΨ_f，R为定子相电阻，p_n为电机的极对数，C1、C2、C3为所述负载观测器的可调参数，C1、C2、C3均为正数，J为电机转子转动惯量。

本发明中C₁为由电机角度信息θ计算得到电机转速理论值w的滤波系数，此值越大，计算得到的电机转速理论值w延迟越小，但C₁也不能太大，否则得到的电机转速理论值w噪声也会很大，甚至导致电机控制系统出现振荡；C₂、C₃用于调整电机负载转矩带宽，其值越大，电机负载转矩带宽越大，但C₂、C₃也不能过大，否则会使电机控制系统对电机负载过于敏感，甚至出现振荡。因此，C₁、C₂、C₃的具体数值需根据实际电机控制系统的需要来确定其大小。

需要说明的是，本发明中的负载观测器400可以应用于不同的电机控制系统，当其应用于不同的电机控制系统中时，无需改变负载观测器400的结构，只需调整负载观测器400的可调参数C₁、C₂、C₃即可。

本发明中的负载观测器400首先依据电机角度信息θ，利用公式(1)中的第一个公式计算得到电机的电机转速理论值w，进而依据电机转速理论值w、电机角度信息θ和电机电压值u_q，同时利用公式(1)中的第二和第三个公式分别计算得到电机的电机转速估计值和电机负载转矩估计值因此本发明提供的电机控制系统基于传统PID控制结构的基础上增加了负载观测器400，该负载观测器400能够实现对电机负载变化的观测。通过采用Matlab/Simulink的实验测试后可以得知，本发明中负载观测器400观测得到的电机负载结果如图3所示，图中TL表示给电机施加的真实负载，TL^表示使用本发明负载观测器400观测得到的电机负载值。显然，本发明负载观测器400观测得到的电机负载值能够比较快速、准确地反应电机负载的实际变化，大大提升速度环控制电路的带宽。

进一步，负载观测器400将计算得到的电机转速估计值直接发送至速度环控制电路的输入端，作为速度环控制电路的反馈量，形成负反馈回路，并将电机负载转矩估计值除以电机的力矩常数k_t后发送至速度环控制电路的输出端，作为速度环控制电路的前馈量，并与速度控制器200输出的数值相加后作为电流控制器300的输入，形成前馈回路。即负载观测器400通过电机转速估计值和处理后的电机负载转矩估计值的回馈构成二自由度控制器，可以有效提高速度环控制电路的性能，进一步提高电机控制的精度。

因此应用本发明的上述技术方案，本发明提供的电机控制系统包括利用位置控制器100、速度控制器200和电流控制器300构成的三环控制电路，所述三环控制电路包括电流环控制电路、速度环控制电路和位置环控制电路，系统还包括负载观测器400，其中负载观测器400的第一输入端401用于接收电流环控制电路输出的电机电压值，第二输入端402用于接收电机的电机角度信息；负载观测器400具体用于依据接收到的电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值；并将电机转速估计值通过负载观测器400的第一输出端403发送至速度环控制电路的输入端，将处理后的电机负载转矩估计值通过负载观测器400的第二输出端404发送至速度环控制电路的输出端。

本发明中的负载观测器400实现了对电机负载转矩的观测，充分考虑了电机负载变化，相比于现有技术不考虑电机负载变化的技术方案，提高了电机控制的精度。同时，本发明的电机控制系统保留了现有PID控制方法中PID控制的主要结构，具有PID控制方法的各种优点，且进一步，本发明将计算得到的电机转速估计值发送至PID控制方法中速度环控制电路的输入端，作为速度环控制电路的反馈量，将处理后的电机负载转矩估计值发送至速度环控制电路的输出端，作为速度环控制电路的前馈量，两者形成二自由度控制器，可以有效提高速度环控制电路的性能，从而进一步提高了电机控制的精度。

基于上述实施例提供的电机控制系统，本发明还提供一种电机控制方法，应用于上述电机控制系统中，如图4所示，方法包括：

步骤401，检测并获取电机控制系统中电机的电机角度信息以及电流环控制电路输出的电机电压值。

具体地，本发明可以利用电机位置传感器检测电机的电机角度信息，进而电机位置传感器将检测到的电机角度信息发送至负载观测器。

步骤402，依据电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值。

具体地，负载观测器依据电机电压值和电机角度信息，利用公式

$\left\{\begin{array}{c}w=c_1(1-c_1{e}^{-c_{1}t})\mathrm{\θ}\\ \frac{d\hat{w}}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\hat{T}}_L}{J}-\frac{{\mathrm{\Ψ}}_f{p}_n{k}_t}{\mathrm{JR}}+\frac{u_q}{\mathrm{JR}}{k}_t+c_2(w-\hat{w})\\ \frac{d{\hat{T}}_L}{\mathrm{dt}}=c_3(\hat{w}-w)\end{array}\right.,$               公式(1)

计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值。

其中为所述电机转速估计值，为所述电机负载转矩估计值，θ为电机角度信息，u_q为q轴电流控制器输出的电机电压值，Ψ_f为永磁体励磁磁链，k_t为电机的力矩常数，k_t＝1.5p_nΨ_f，R为定子相电阻，p_n为电机的极对数，C₁、C₂、C₃为所述负载观测器的可调参数，C₁、C₂、C₃均为正数，J为电机转子转动惯量。

步骤403，将电机转速估计值反馈回电机控制系统中的速度环控制电路的输入端，将处理后的电机负载转矩估计值反馈回电机控制系统中的速度环控制电路的输出端，以使得电机控制系统依据电机转速估计值和处理后的电机负载转矩估计值进行自动调节。

其中，处理后的电机负载转矩估计值为将所述电机负载转矩估计值除以电机的力矩常数k_t后得到的值。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。对于方法类实施例而言，由于其与系统实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种电机控制系统和方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种电机控制系统，包括利用位置控制器、速度控制器和电流控制器构成的三环控制电路，所述三环控制电路包括电流环控制电路、速度环控制电路和位置环控制电路，其特征在于，所述电机控制系统还包括：负载观测器；其中，

所述负载观测器的第一输入端用于接收所述电流环控制电路输出的电机电压值，所述负载观测器的第二输入端用于接收电机的电机角度信息；

所述负载观测器具体用于依据接收到的所述电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值；并将所述电机转速估计值通过所述负载观测器的第一输出端发送至所述速度环控制电路的输入端，经处理后的电机负载转矩估计值通过所述负载观测器的第二输出端发送至所述速度环控制电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，所述电机控制系统还包括电机位置传感器，所述电机位置传感器用于检测所述电机的电机角度信息。

3.根据权利要求1或2所述的电机控制系统，其特征在于，所述负载观测器用于依据接收到的所述电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值，包括：

利用公式 $\left\{\begin{array}{c}w=c_1(1-c_1{e}^{{-c}_{1}t})\mathrm{\θ}\\ \frac{d\hat{w}}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\hat{T}}_L}{J}-\frac{{\mathrm{\Ψ}}_f{p}_n{k}_t}{\mathrm{JR}}+\frac{u_q}{\mathrm{JR}}{k}_t+c_2(w-\hat{w})\\ \frac{d{\hat{T}}_L}{\mathrm{dt}}=c_3(\hat{w}-w)\end{array}\right.,$ 计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值；

其中为所述电机转速估计值，为所述电机负载转矩估计值，θ为电机角度信息，u_q为q轴电流控制器输出的电机电压值，Ψ_f为永磁体励磁磁链，k_t为电机的力矩常数，k_t＝1.5p_nΨ_f，R为定子相电阻，p_n为电机的极对数，C₁、C₂、C₃为所述负载观测器的可调参数，C₁、C₂、C₃均为正数，J为电机转子转动惯量。

4.根据权利要求1或2所述的电机控制系统，其特征在于，处理所述电机负载转矩估计值具体为：将所述电机负载转矩估计值除以电机的力矩常数k_t。

5.一种电机控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一项所述的电机控制系统中，所述电机控制方法包括：

检测并获取电机控制系统中电机的电机角度信息以及电流环控制电路输出的电机电压值；

依据所述电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值；

将所述电机转速估计值反馈回所述电机控制系统中的速度环控制电路的输入端，将处理后的电机负载转矩估计值反馈回所述电机控制系统中的速度环控制电路的输出端，以使得所述电机控制系统依据所述电机转速估计值和处理后的电机负载转矩估计值进行自动调节。

6.根据权利要求5所述的电机控制方法，其特征在于，所述依据所述电机电压值和电机角度信息计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值，包括：

利用公式 $\left\{\begin{array}{c}w=c_1(1-c_1{e}^{{-c}_{1}t})\mathrm{\θ}\\ \frac{d\hat{w}}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\hat{T}}_L}{J}-\frac{{\mathrm{\Ψ}}_f{p}_n{k}_t}{\mathrm{JR}}+\frac{u_q}{\mathrm{JR}}{k}_t+c_2(w-\hat{w})\\ \frac{d{\hat{T}}_L}{\mathrm{dt}}=c_3(\hat{w}-w)\end{array}\right.,$ 计算得到电机的电机负载转矩估计值和电机转速估计值；

其中为所述电机转速估计值，为所述电机负载转矩估计值，θ为电机角度信息，u_q为q轴电流控制器输出的电机电压值，Ψ_f为永磁体励磁磁链，k_t为电机的力矩常数，k_t＝1.5p_nΨ_f，R为定子相电阻，p_n为电机的极对数，C₁、C₂、C₃为所述负载观测器的可调参数，C₁、C₂、C₃均为正数，J为电机转子转动惯量。

7.根据权利要求5或6所述的电机控制方法，其特征在于，所述处理后的电机负载转矩估计值为将所述电机负载转矩估计值除以电机的力矩常数k_t后得到的值。