CN105811840A - 一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法，包括以下步骤：S1、电流估算；S2、基于电流估算的参考电压计算；S3、转子运动补偿。本发明的有益效果是：过充分考虑矢量控制的特点，以及永磁同步伺服电机的特点，提出了无差拍电流控制与矢量控制中其他控制能相互促进<i>，</i>性能和稳定性都更强的拓扑，充分发挥了永磁同步伺服电机基于矢量控制的潜能。

Description

一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法

技术领域

本发明涉及电流控制方法，尤其涉及一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法。

背景技术

永磁同步伺服电机以其高效率，可靠性高等特点，被广泛应用于高端伺服系统中，多以矢量控制常用，矢量控制将电流控制环，速度控制环，位置控制环由内而外放置，其中电流环控制在系统最关键，其性能好坏直接影响速度、位置环的性能。电流环的常用算法为PI控制，该算法具有设计简单、技术成熟等特点，被广泛应用其中于同步、异步电机系统的矢量控制。

虽然PI算法有以上优点，但其原理是基于偏差调节的算法，是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)和积分(I)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

比例调节作用:按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。而积分(I)可以减少给定与反馈间的静差，因此必然存在下列缺陷：

1、为了得到快速响应，需要高的比例增益可以加快调节减少误差,但是过大的比例,使系统出现过冲、超调稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

2、为了减小系统稳态误差必需加入积分(I),但由于积分的存在降低了系统响应速度，调节时间变长。

3、PI系统在大的瞬变过程中，由于调节过强可能引起系统饱和，甚至不能正常工作。

4、由于积分作用，即使输出达到了设定值，累积的积分动作也会引起大的一个超调量。

因为上述缺陷的存在，使通用的PI控制器不能满足高端系统的需求。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法。

本发明提供了一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法，包括以下步骤：

S1、电流估算；

S2、基于电流估算的参考电压计算；

S3、转子运动补偿。

作为本发明的进一步改进，步骤S1包括以下子步骤：

S11、使用第k-1个采样周期的dq轴参考电压以及t_k-T_cs时刻测得的dq轴电流值，来预测tk时刻的dq轴电流值；

S12、使用第k个采样周期的dq轴参考电压以及步骤S11的dq轴电流预测结果，来预测t_k+1时刻的dq轴电流值。

作为本发明的进一步改进，步骤S2为：

将于t_k+1到t_k+2时段生效的第k+1个采样周期dq轴参考电压vdqref(k+1),是在t_k到t_k+1时段被计算出的，计算需要电流估算的结果idqpre(k+1)和当前的参考电流idqref(k)，电流是线性变换的以简化微分方程可得到：

${v_d}^{ref}(k+1)=R_s{i_d}^{ref}\left(k\right)+\frac{L_d}{T_s}\{{i_d}^{ref}\left(k\right)-{i_d}^{pre}(k+1)\}-L_q{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_q}^{ref}\left(k\right)---\left(1\right)$

${v_q}^{ref}(k+1)=R_s{i_q}^{ref}\left(k\right)+\frac{L_q}{T_s}\{{i_q}^{ref}\left(k\right)-{i_q}^{pre}(k+1)\}+L_d{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_d}^{ref}\left(k\right)+{\mathrm{\&psi;}}_m{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right)---\left(2\right)$

这样的控制策略在数字控制中会有两倍采样周期的延迟，也就是t_k时刻的参考电流，将在t_k+2时刻达到，对于周期性的参考电流，可以在t_k时刻通过线性插值估计t_k+2时刻的参考电流，如此，方程(1)(2)中的idqref(k)可由t_k+2时刻的参考电流代替，得到下式：

${v_d}^{ref}(k+1)=R_s{i_d}^{ref}(k+2)+\frac{L_d}{T_s}\{{i_d}^{ref}(k+2)-{i_d}^{pre}(k+1)\}-L_q{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_q}^{ref}(k+2)---\left(3\right)$

${v_q}^{ref}(k+1)=R_s{i_q}^{ref}(k+2)+\frac{L_q}{T_s}\{{i_q}^{ref}(k+2)-{i_q}^{pre}(k+1)\}+L_d{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_d}^{ref}(k+2)+{\mathrm{\&psi;}}_m{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right)---\left(4\right)$

方程(1)(2)(3)(4)变量定义：v_dq ^ref(k+1)为(k+1)个采样周期的dq轴参考电压，i_dq ^ref(k)为t_k时刻的dq轴电流值，Rs为电机定子电阻，Lq为电机q轴电感，Ld为电机q轴电感，ωe(k)为转子电角度，ψm为永磁电机磁链，i_dq ^pre(k+1)为(t_k+1)时刻的dq轴预测电流值。

作为本发明的进一步改进，步骤S3为：

修正控制器t(k+1)时刻输出参考电压值,以使永磁同步伺服电机在第k+1个采样周期之内的实际平均电压等于(3)(4)式中计算出的(k+1)个采样周期的dq轴参考电压v_dq ^ref(k+1)。

本发明的有益效果是：通过充分考虑矢量控制的特点，以及永磁同步伺服电机的特点，提出了无差拍电流控制与矢量控制中其他控制能相互促进，性能和稳定性都更强的拓扑，充分发挥了永磁同步伺服电机基于矢量控制的潜能，提高了电流精度和控制器的鲁棒特性，本发明具有以下优点：

1、新2阶积分电流预测器使用，带来更高的电流精度；

2、使用平均补偿电压代替传统的中间位置偏差电压补偿，提高系统电流稳态误差的同时，改善了系统的响应速度；

3、插入积分器来消除由于参数不匹配引起稳态误差，因此控制器的鲁棒性受电机错误参数的影响降低；

4、伺服控制算法由电流环、速度环、位置环组成，电流环处在最里层是最核心环，他的好坏直接影响伺服系统性能，使用本发明的伺服驱动器可大幅提高电流环带宽，减小系统的电流响应时间，实现电流精准无超调控制。

附图说明

图1是本发明一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法的无差拍电流控制器时序图。

图2是本发明一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法的无差拍电流控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明采用无差拍控制作为伺服驱动器的电流环。无差拍控制是基于一种设想，控制目标能在一个采样时间内达到给定值，换句话说就是1“拍”。在磁场空间定位控制的永磁电机驱动中，假设实际电流在下一个采样周期结束能达到给定值，保证在下一个采样周期开始更新给定电压。

图1是无差拍电流控制时序图，因为电压参考会保持最多2个采样周期的延时，为了方便说明相应事件和时间周期仅仅被标出在k^th采样周期。

如图1至图2所示，一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法，包括以下步骤：

以第k个采样周期为例，无差拍电流控制的原理是:充分考虑电流采样的时间延迟T_cs(由测量电流的具体时间点决定)和数字控制的采样周期T_s的长短，来计算第k+1个采样周期的参考电压。为此，必须要事先知道电机的参数。为保证采样在第k个区间的开始就可得，T_cs需要设计得足够长，为A/D转换和数据传输留出足够的时间。无差拍电流控制的计算全部在每个采样时间(T_s)之内完成，所以计算时间T_cal需要小于T_s，具体的计算由几下几步组成：

1、电流估算

计算出的第k+1个采样周期的dq轴参考电压将会在t_k+1时刻才开始生效，因此，用于计算其的dq轴电流初值应该是t_k+1时刻的电流值，而不是在t_k-T_cs时刻测量得到的值。又由于该计算过程需在第k个采样周期中完成，所以t_k+1时刻的电流值并不可得，需要根据电机模型进行估计。考虑到在t_k-T_cs到t_k+1时段之间，生效的依次是第k-1个采样周期的和第k个采样周期的dq轴参考电压，电流估计需要分两步进行。

第一步电流估算是使用第k-1个采样周期的dq轴参考电压以及t_k-T_cs时刻测得的dq轴电流值，来预测t_k时刻的dq轴电流值。

第二步电流估算是使用第k个采样周期的dq轴参考电压以及第一步的dq轴电流预测结果，来预测t_k+1时刻的dq轴电流值。

2、基于电流估算的参考电压计算

将于t_k+1到t_k+2时段生效的第k+1个采样周期dq轴参考电压vdqref(k+1),是在t_k到t_k+1时段被计算出的。计算需要第二步电流估算的结果idqpre(k+1)和当前的参考电流idqref(k)。再一次，认为电流是线性变换的以简化微分方程可得到：

${v_d}^{ref}(k+1)=R_s{i_d}^{ref}\left(k\right)+\frac{L_d}{T_s}\{{i_d}^{ref}\left(k\right)-{i_d}^{pre}(k+1)\}-L_q{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_q}^{ref}\left(k\right)---\left(1\right)$

${v_q}^{ref}(k+1)=R_s{i_q}^{ref}\left(k\right)+\frac{L_q}{T_s}\{{i_q}^{ref}\left(k\right)-{i_q}^{pre}(k+1)\}+L_d{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_d}^{ref}\left(k\right)+{\mathrm{\&psi;}}_m{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right)---\left(2\right)$

可以预见，这样的控制策略在数字控制中会有两倍采样周期的延迟，也就是t_k时刻的参考电流，将在t_k+2时刻达到。根据需要，对于周期性的参考电流，可以在t_k时刻通过线性插值估计t_k+2时刻的参考电流。如此，方程(1)(2)中的idqref(k)可由k+2时刻的参考电流代替，得到下式：

${v_d}^{ref}(k+1)=R_s{i_d}^{ref}(k+2)+\frac{L_d}{T_s}\{{i_d}^{ref}(k+2)-{i_d}^{pre}(k+1)\}-L_q{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_q}^{ref}(k+2)---\left(3\right)$

${v_q}^{ref}(k+1)=R_s{i_q}^{ref}(k+2)+\frac{L_q}{T_s}\{{i_q}^{ref}(k+2)-{i_q}^{pre}(k+1)\}+L_d{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_d}^{ref}(k+2)+{\mathrm{\&psi;}}_m{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right)---\left(4\right)$

注：方程(1)(2)(3)(4)变量定义：v_dq ^ref(k+1)为(k+1)个采样周期的dq轴参考电压，i_dq ^ref(k)为t_k时刻的dq轴电流值，Rs为电机定子电阻，Lq为电机q轴电感，Ld为电机q轴电感，ωe(k)为转子电角度，ψm为永磁电机磁链，i_dq ^pre(k+1)为(t_k+1)时刻的dq轴预测电流值。

3、转子运动补偿

由于转子运动形成的实际电压与参考电压的误差，从而引起的电流响应稳态误差需要

被补偿。在计算第k+1个采样周期的dq轴参考电压时，并未考虑电机位置变化对电机dq轴电压的影响。事实上，v_dq ^ref(k+1)在第k+1个采样周期之内是不能更新的，然而，电机实际的dq轴电压却在随着电机位置的变化而逐渐偏离参考电压。尤其是在高速的情况下，一个采样周期内的电机位移是不可忽略的。电压的偏移，则会导致电流在k+2时刻不能达到电流参考i_dq ^ref(k+2)。本文所提出的方法是，修正控制器t(k+1)时刻输出参考电压值(即补偿电压),以使电机在第k+1个采样周期之内的实际平均电压等于(3)(4)式中计算出的参考电压v_dq ^ref(k+1)。

图2包括高阶PI角度调节器，无差拍电流控制器，平均电压补偿器。

本发明提供的一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法，通过充分考虑矢量控制的特点，永磁同步电机的特点，提出了无差拍电流控制与矢量控制中其他控制能相互促进，性能和稳定性都更强的拓扑，充分发挥了永磁同步伺服电机基于矢量控制的潜能，为了提高电流精度和控制器的鲁棒特性，本发明几个创新点被引入：

1、新2阶积分电流预测器使用，带来更高的电流精度。

2、使用平均补偿电压代替传统的中间位置偏差电压补偿，提高系统电流稳态误差的同时，改善了系统的响应速度。

3、插入积分器来消除由于参数不匹配引起稳态误差，因此控制器的鲁棒性受电机错误参数的影响降低。

4、伺服控制算法由电流环、速度环、位置环组成，电流环处在最里层是最核心环，他的好坏直接影响伺服系统性能，使用本发明技术的伺服驱动器可大幅提高电流环带宽，减小系统的电流响应时间，实现电流精准无超调控制。

本发明提供的一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法，为永磁同步伺服电机电流控制的新型算法，该算法可以提高电流环的带宽和电流精度，实现精准、快速的电流控制可以大幅降低电机的转矩脉动和驱动器的电流冲击，实现电流谐波最小的同时还可以提高伺服系统的速度、位置环精度和带宽。本发明算法还可以拓展到感应电机的矢量控制算法中，可广泛地应用于电机控制的各个领域中。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、电流估算；

S2、基于电流估算的参考电压计算；

S3、转子运动补偿。

2.根据权利要求1所述的永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法，其特征在于，步骤S1包括以下子步骤：

S11、使用第k-1个采样周期的dq轴参考电压以及t_k-T_cs时刻测得的dq轴电流值，来预测tk时刻的dq轴电流值；

S12、使用第k个采样周期的dq轴参考电压以及步骤S11的dq轴电流预测结果，来预测t_k+1时刻的dq轴电流值。

3.根据权利要求2所述的永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法，其特征在于，步骤S2为：

将于t_k+1到t_k+2时段生效的第k+1个采样周期dq轴参考电压vdqref(k+1),是在t_k到t_k+1时段被计算出的，计算需要电流估算的结果idqpre(k+1)和当前的参考电流idqref(k)，电流是线性变换的以简化微分方程可得到：

${v_d}^{ref}(k+1)=R_s{i_d}^{ref}\left(k\right)+\frac{L_d}{T_s}\{{i_d}^{ref}\left(k\right)-{i_d}^{pre}(k+1)\}-L_q{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_q}^{ref}\left(k\right)---\left(1\right)$

${v_q}^{ref}(k+1)=R_s{i_q}^{ref}\left(k\right)+\frac{L_q}{T_s}\{{i_q}^{ref}\left(k\right)-{i_q}^{pre}(k+1)\}-L_d{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_d}^{ref}\left(k\right)+{\mathrm{\&psi;}}_m{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right)---\left(2\right)$

这样的控制策略在数字控制中会有两倍采样周期的延迟，也就是t_k时刻的参考电流，将在t_k+2时刻达到，对于周期性的参考电流，可以在t_k时刻通过线性插值估计t_k+2时刻的参考电流，如此，方程(1)(2)中的idqref(k)可由t_k+2时刻的参考电流代替，得到下式：

${v_d}^{ref}(k+1)=R_s{i_d}^{ref}(k+2)+\frac{L_d}{T_s}\{{i_d}^{ref}(k+2)-{i_d}^{pre}(k+1)\}-L_q{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_q}^{ref}(k+2)---\left(3\right)$

${v_q}^{ref}(k+1)=R_s{i_q}^{ref}(k+3)+\frac{L_q}{T_s}\{{i_q}^{ref}(k+2)-{i_q}^{pre}(k+1)\}+L_d{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right){i_d}^{ref}(k+2)+{\mathrm{\&psi;}}_m{\mathrm{\&omega;}}_e\left(k\right)---\left(4\right)$

方程(1)(2)(3)(4)变量定义：为(k+1)个采样周期的dq轴参考电压，为t_k时刻的dq轴电流值，Rs为电机定子电阻，Lq为电机q轴电感，Ld为电机q轴电感，ωe(k)为转子电角度，ψm为永磁电机磁链，为(t_k+1)时刻的dq轴预测电流值。

4.根据权利要求3所述的永磁同步伺服电机的无差拍电流控制方法，其特征在于，步骤S3为：

修正控制器t(k+1)时刻输出参考电压值,以使永磁同步伺服电机在第k+1个采样周期之内的实际平均电压等于(3)(4)式中计算出的(k+1)个采样周期的dq轴参考电压