CN105553372B - 一种交流伺服系统的电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种交流伺服的电流控制方法，基于电压观测器和电压预测器辅助交流伺服的电流控制，包括以下步骤：1)离散采样，得到电机的d、q轴离散电压方程；2)分别设计d轴电压观测器和q轴电压观测器，得到k时刻的d轴电压观测量和q轴电压观测量；3)根据k+1之前时刻的d、q轴电压和电流，预测k+1时刻的d、q轴电压；4)根据k时刻的d轴电压观测量和q轴电压观测量，结合k+1时刻的d、q轴电压预测量，生成d、q轴控制电压，用于交流伺服的电流控制。本发明能够实现快速且高精度的交流伺服电流控制，在不影响稳定性的前提下获得更好的动态响应性能。

Description

一种交流伺服系统的电流控制方法
技术领域
本发明属于交流伺服控制技术领域，基于电压观测器和电压预测器，为一种交流伺服的电流控制方法。
背景技术
由于高效率、高功率密度、无换向刷和高精度等优点，目前交流伺服已经广泛应用于机械加工、机器人等工业领域。交流伺服一般采用三环级联的控制方法，由内而外分为电流环控制、速度环控制和位置环控制。在三环级联控制方法下，电流环的动态响应性能往往是整个交流伺服系统高性能的关键。
目前，在伺服系统中应用最为广泛的是PI控制。PI调节器作为经典控制方法，具有结构简单，稳定可靠的优点。一般在实际应用中会尽量提高PI调节器的增益以获得更好的响应性能，但是过高的增益会带来较大的超调乃至振动，造成稳定性的下降。因此，PI调节器具有动态性能和稳定性相矛盾的缺点，实际应用中很难兼顾动态与稳态两个指标。
文献1《永磁同步电机改进电流预测控制》(《电工技术学报》,2013,28(3):50-55,王伟华，肖曦，丁有爽)采用了改进预测控制的方法调节电流环，文中的仿真部分和实验部分说明了其算法的可行性。但是该方法的推导中，首先假设电压方程中的耦合项和反电势项在短时间内保持不变(文献第3页)。而耦合项是电感、转速、电流的乘积，在许多场合，即便是在短时间内，电流和转速的变化也是很显著的，因此耦合项短时间内是变化较大的，而耦合项在短时间内不变这一假设就直接影响了文献1算法的准确性。
文献2《Speed Control for PMSM Servo System Using Predictive FunctionalControl and Extended State Observer》(Liu,H.,&Li,S.(2012).IEEE Transactions onIndustrial Electronics,59(2),1171-1183.)采用了扩张状态观测器和预测函数控制的方法控制伺服系统的速度环，文献方法应用于永磁同步电机先进控制技术领域，较传统方法相比性能更为优越。但是文献方法实现较为复杂，预测函数控制方法中的滚动优化依赖计算机优化计算，目前在工程中应用尚具有一定的难度。
发明内容
本发明要解决的问题是：针对交流伺服现有电流控制方法动态响应性能的不足，动态性能和稳定性相矛盾的缺点的问题，需要一种电流控制方法，在不影响稳定性的前提下获得更好的动态响应性能。
本发明的技术方案为：一种交流伺服的电流控制方法，基于电压观测器和电压预测器辅助交流伺服的电流环控制，按以下步骤实现：
步骤一：离散采样，以电流环控制周期Ts为采样周期进行离散采样，得到电机的d、q轴离散电压方程；
步骤二：d、q轴电压观测，针对电机的d、q轴离散电压方程，分别设计d轴电压观测器和q轴电压观测器，得到k时刻的d轴电压观测量和q轴电压观测量；
步骤三：d、q轴电压预测，根据k+1之前时刻的d、q轴电压和电流，预测k+1时刻的d、q轴电压；
步骤四：d、q轴控制电压生成，根据k时刻的d轴电压观测量和q轴电压观测量，结合k+1时刻的d、q轴电压预测量，生成d、q轴控制电压，用于交流伺服的电流控制。
本发明能够实现快速且高精度的交流伺服电流控制，有益效果具体表现为：
(1)形式简单，与文献1的PI调节器相比，本发明没有将控制逻辑复杂化，同样具有形式简单的优点。
(2)本发明设计了电压观测器，消除了耦合项等时变因素带来的影响，在此基础上得到电流预测器，基于预测控制获得了更好的动态响应性能。
(3)图3对比说明了本发明中的控制效果。从图3中可以看出PI调节器(现有技术1)、文献1控制方式(现有技术2)和本发明的控制方式都具有很好的稳定性，稳态误差≈0。而在动态性能上，本发明明显优于现有技术1和现有技术2。
为了说明动态响应性能，以超调量和调节时间为动态指标，三者对比如下表所示。其中调节时间以进入5‰误差带为基准。
现有技术1 现有技术2 本发明
超调量(％) 0.75 1.25 2.5
调节时间(ms) 35 95 165
附图说明
图1是本发明的步骤流程图。
图2为本发明的控制原理框图。
图3是本发明的有益效果仿真图，其中实现表示q轴给定电流，点线表示PI调节器(现有技术1)的控制效果，点虚线表示文献1控制方式(现有技术2)的控制效果，虚线表示本发明的控制效果。
具体实施方式
本发明为一种交流伺服的电流控制方法，基于电压观测器和电压预测器辅助交流伺服的电流环控制，如图1所示，按以下步骤实现：
步骤一：离散采样，以电流环控制周期Ts为采样周期进行离散采样，得到电机的d、q轴离散电压方程；
步骤二：d、q轴电压观测，针对电机的d、q轴离散电压方程，分别设计d轴电压观测器和q轴电压观测器，得到k时刻的d轴电压观测量和q轴电压观测量；
步骤三：d、q轴电压预测，根据k+1之前时刻的d、q轴电压和电流，预测k+1时刻的d、q轴电压；
步骤四：d、q轴控制电压生成，根据k时刻的d轴电压观测量和q轴电压观测量，结合k+1时刻的d、q轴电压预测量，生成d、q轴控制电压，用于交流伺服的电流控制。
为了说明本发明的具体实施方式，结合Matlab R2010a进行阐述。仿真电机参数设置为：定子电阻R为0.668Ω；极对数nP为4；d轴电感Ld为3.66mH；q轴电感Lq为3.66mH；额定电流为4A；额定转速为3000rpm，电流环控制周期为20μs，电机采用id *＝0控制。
下面结合附图对本发明的实施例作详细设计步骤说明。
步骤一：离散采样单元，以电流环控制周期Ts为采样周期进行离散采样，得到电机的d、q轴离散电压方程。
在本实施例中以采样周期Ts＝20μs为例，实际取值根据具体情况而定。以永磁同步电机的电压方程为实施例，本步骤得到的电机的d、q轴离散电压方程为
式中，ud(k)、uq(k)分别为k时刻的d、q轴电压，id(k)、iq(k)分别为k时刻的d、q轴电流，id(k-1)、iq(k-1)分别为k-1时刻的d、q轴电流，ω(k)为k时刻的转速。
步骤二：d、q轴电压观测单元，针对电机的d、q轴离散电压方程，分别设计d轴电压观测器和q轴电压观测器，得到k时刻的d轴电压观测量和q轴电压观测量。
令d1(k)＝Rid(k)-ωLqiq(k)或-ωLqiq(k)为d轴电压待观测量，设计观测器观测d1(k)，观测器形式根据具体情况而定。比如选取如下的观测器方程：
式中，z1(k)为k时刻的d轴电压中间变量，为d轴电压观测量，L1为d轴观测器增益。通过调参选取合适的L1可以保证趋近于d1(k)。
再令d2(k)＝Riq(k)+Ldω(k)id(k)+ψfω(k)或Ldω(k)id(k)+ψfω(k)为q轴电压待观测量，设计观测器观测d2(k)，观测器形式根据具体情况而定。比如选取如下的观测器方程：
式中，z2(k)为k时刻的q轴电压中间变量，为q轴电压观测量，L2为q轴观测器增益。通过调参选取合适的L2可以保证趋近于d2(k)。
步骤三：d、q轴电压预测单元，根据k+1之前时刻的d、q轴电压和电流，预测k+1时刻的d、q轴电压。
以k时刻的d轴电流给定id *(k)来预测id(k+1)，可得k+1时刻的d轴电压为
即k+1时刻的d轴电压ud(k+1)可由k时刻的d轴给定电流、k-1时刻的d轴反馈电流和k时刻的d轴电压ud(k)预测得到。
同理，以k时刻的q轴电流给定iq *(k)来预测iq(k+1)，可得k+1时刻的q轴电压为
即k+1时刻的q轴电压可由k时刻的q轴给定电流、k-1时刻的q轴反馈电流和k时刻的q轴电压uq(k)预测得到。
步骤四：d、q轴控制电压生成单元，根据k时刻的d轴电压观测量和q轴电压观测量，结合k+1时刻的d、q轴电压预测量，生成d、q轴控制电压。
由步骤二得到的k时刻d、q轴电压观测量分别为由步骤三得到的k+1时刻d、q轴电压预测量分别为按照图2生成d、q轴控制电压ud(k+1)和ud(k+1)，用于交流伺服的电流控制，图2中id *和iq *分别为d轴和q轴的电流给定，ud和ud为d轴和q轴的控制电压，交流伺服输出d轴电流id、q轴电流iq和转速ω，为
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种交流伺服的电流控制方法，其特征是基于电压观测器和电压预测器的交流伺服电流控制，按以下步骤实现：
步骤一：离散采样，以电流环控制周期Ts为采样周期进行离散采样，得到电机的d、q轴离散电压方程；
步骤二：d、q轴电压观测，针对电机的d、q轴离散电压方程，分别设计d轴电压观测器和q轴电压观测器，得到k时刻的d轴电压观测量和q轴电压观测量；
步骤三：d、q轴电压预测，根据k+1之前时刻的d、q轴电压和电流，预测k+1时刻的d、q轴电压；
步骤四：d、q轴控制电压生成，根据k时刻的d轴电压观测量和q轴电压观测量，结合k+1时刻的d、q轴电压预测量，生成d、q轴控制电压，用于交流伺服的电流控制。
2.根据权利要求1所述的一种交流伺服的电流控制方法，其特征是所述电机为永磁同步电机，所述电流控制方法为：
步骤一：以电流环控制周期Ts为采样周期进行离散采样，得到电机的d、q轴离散电压方程：
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式中，ud(k)、uq(k)分别为k时刻的d、q轴电压，id(k)、iq(k)分别为k时刻的d、q轴电流，id(k-1)、iq(k-1)分别为k-1时刻的d、q轴电流，ω(k)为k时刻的电机转速，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，R为定子电阻，ψf为永磁体磁链；
步骤二：分别设计d轴电压观测器和q轴电压观测器：
令d轴电压待观测量d1(k)＝Rid(k)-ω(k)Lqiq(k)或-ω(k)Lqiq(k)，设计d轴电压观测器：
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式中，z1(k)为k时刻的d轴电压中间变量，为d轴电压观测量，L1为d轴观测器增益；
再令q轴电压待观测量d2(k)＝Riq(k)+Ldω(k)id(k)+ψfω(k)或Ldω(k)id(k)+ψfω(k)，设计q轴电压观测器：
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式中，z2(k)为k时刻的q轴电压中间变量，为q轴电压观测量，L2为q轴观测器增益；
步骤三：预测k+1时刻的d、q轴电压：
以k时刻的d轴电流给定id *(k)来预测id(k+1)，得k+1时刻的d轴预测电压为：
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以k时刻的q轴电流给定iq *(k)来预测iq(k+1)，得k+1时刻的q轴预测电压为：
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步骤四：由步骤二得到的k时刻d、q轴电压观测量分别为由步骤三得到的k+1时刻d、q轴电压预测量分别为生成d、q轴控制电压为：
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