CN106483990A - 一种电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机控制方法，其步骤如下：首先提取电机速度偏差中的振动量并作为微分控制的输入，然后采用振动量提取及微分器将提取的振动量进行微分，得到电机速度偏差振动微分量。再对电机速度偏差振动微分量进一步滤除直流量并进行相位调整。将相位调整后的速度偏差振动微分量，乘以阻尼增益，加算到速度控制器中。本发明方法在速度控制器中加入阻尼增益控制，该阻尼增益控制方法为在速度控制器中，采用一个振动量提取及微分器，对特定的振动频率点实施微分控制。有效预测速度偏差中振动量的变化趋势，增加系统对振动量的衰减作用，从而抑制振动。

Description

一种电机控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制方法。

背景技术

当伺服系统的增益提高时，振动现象普遍存在于非刚性系统中，影响系统的控制精度。中国发明专利CN105375850A，提出了一种基于特殊的“峰值-带通滤波器”的振动抑制方法。可以对电机转速进行振动量的提取，并将振动量乘以一个振动补偿系数后，加算到速度给定指令中，该方法可以有效抑制机械系统的谐振。

但是，实际工程运用中，在某些低柔性的多质量机械系统场合，振动表现为在相同负载条件下，系统的振动频率随着控制增益的变化而变化，而非固定频率点的振动。在其频谱曲线上，并没有突出的谐振点。此时电机控制系统变的极易不稳定，电机控制器的增益的设置受限，从而使得系统响应性较差。在此工况下，使用该发明的控制方案，抑振效果不佳。针对此种工况，本发明设计了一种对特殊频率点微分控制的速度控制器，有效解决了以上这种由于控制系统不稳定带来的振动问题。

实际工程运用中，在某些柔性低的多质量机械系统场合，表现为在相同负载条件下，系统的振动频率随着控制增益的变化而变化，而非机械谐振引起的固定频率点的振动。此时电机控制系统极易变的不稳定，电机控制器的增益的设置受限，从而使得系统响应性较差。此时使用陷波滤波器等方案，会带来控制系统的滞后，使得控制系统更加不稳定，带来振动加剧的后果。传统速度控制器为比例-积分调节器(以下称为PI调节器)，由于没有微分作用的存在，不能对控制信号进行提前预测，从而不能对误差做出快速响应。但如果加入微分控制，系统又容易振荡和带来微分噪声，参数难以调节。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种电机控制方法。在传统速度控制器中加入阻尼增益控制，在速度控制器中对特定的振动频率点实施微分控制。可以有效预测速度偏差中振动量的变化趋势，增加了系统对振动量的衰减作用，从而抑制振动。由于仅对系统振动频率点，进行阻尼增益控制，不存在直流量，故不会对速度环的响应造成影响。同时对干扰噪声不敏感，不会存在微分噪声问题。

本发明为了实现发明目的，所提出的技术方案是，一种电机控制方法，其步骤如下：

步骤1、电机速度偏差中的振动量提取及微分

首先采用峰值-带通滤波器，提取电机速度偏差中的振动量并作为微分控制的输入。其次，采用振动量提取及微分器将提取的振动量进行微分，得到电机速度偏差振动微分量。实际工程实现时，为了避免微分环节再一次带来相位变化及噪声问题，可以将带通滤波器和微分环节合并为振动量提取及微分器。

振动量提取中，采用的峰值-带通滤波器传递函数为：

其中：ωn为峰值-带通滤波器中心频率(单位rad/s)，ξ为频带宽度系数，s为拉普拉斯变换算子。

振动量提取及微分器的传递函数为：

D(s)即为本发明所涉及的振动量提取及微分器的传递函数，幅值-频率特性见图1。

步骤2、相位调整

利用高通滤波器对电机速度偏差振动微分量进一步滤除直流量，利用低通滤波器进行相位调整。

步骤3、阻尼增益控制的实施

将相位调整后的速度偏差振动微分量，乘以阻尼增益，加算到速度控制器中。

本发明实施过程：对速度偏差进行振动分析，得到振动频率。根据分析结果设定振动量提取及微分器的中心频率和频带宽度系数。将速度偏差通过振动量提取及微分器，得到速度偏差振动微分量。将振动微分量通过一个高通滤波器和低通滤波器，进行直流量的去除和振动量相位的调整。将低通滤波器的输出乘以阻尼增益后，加算到PI调节器的输出中，得到新的电流指令。

本发明方法在传统速度控制器中加入阻尼增益控制，该阻尼增益控制方法为在速度控制器中，采用一个振动量提取及微分器，对特定的振动频率点实施微分控制。有效预测速度偏差中振动量的变化趋势，增加系统对振动量的衰减作用，从而抑制振动。由于仅对系统振动频率点，进行阻尼增益控制，不存在直流量，故不会对速度环的响应造成影响。同时对干扰噪声不敏感，不会存在微分噪声问题。

附图说明

图1是本发明方法中，振动量提取及微分器的幅频特性。

图2是本发明方法实施例电气硬件设备结构示意框图。

图3是未使用本发明方法抑制振动的电机速度波形图。

图4、使用本发明方法抑制振动的电机速度波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明方法作进一步详细说明。

一般伺服系统为三环控制系统，即存在位置环、速度环以及电流环三个控制环路，本发明不涉及到位置环控制，为了简便，在本实施例中省去位置环。本发明用于振动抑制实施方法如下，控制框图如图2所示，其中，振动量提取及微分器中的峰值-带通滤波器在中国发明专利CN105375850A中已有详细描述。

由给定电机转速ωref减去电机速度ωm得到电机速度偏差ωe。速度偏差ωe在经过PI调节器调整后得到电流指令iqr。对速度偏差ωe进行振动分析，得到振动频率fm(fm单位为Hz)。设定振动量提取及微分器(峰值-带通滤波器)中心频率ωn为fm/2π,频带宽度系数ξ＝0.2。将速度偏差ωe通过振动量提取及微分器，得到速度偏差ωe的振动微分量将振动微分量通过一个高通滤波器，进一步滤除直流量。将高通滤波器的输出经过一个低通滤波器器，进行振动量相位的调整。将低通滤波器的输出乘以阻尼增益Kd后，加算到PI调节器的输出iqr中，得到新的电流指令iqr'。

具体实施步骤如下：

1、将给定电机速度ωref减去电机速度ωm得到速度偏差ωe。

2、速度偏差ωe经过PI调节器调整后，得到电流指令iqr。

3、对速度偏差ωe进行振动情况分析，得到振动频率fm(fm单位为Hz)。

4、根据实际系统振动频率的情况设定振动量提取及微分器中心频率ωn和频带宽度系数ξ。设定振动量提取及微分器的中心频率ωn为fm/2π,频带宽度系数ξ＝0.2。

5、将速度偏差ωe通过振动量提取及微分器，得到速度偏差ωe的振动微分量

6、将振动微分量通过一个高通滤波器，进一步滤除直流量。

7、将高通滤波器的输出经过一个低通滤波器器，进行振动量相位的调整。

8、将低通滤波器的输出乘以阻尼增益Kd后，得到微分控制量iqd。

9、将微分控制量iqd加算到PI调节器的输出iqr中，得到新的电流指令iqr'。

本发明有益效果如图3和图4所示，图3表示不使用本发明振动抑制控制算法时的电机转速波形，电机转速波形出现振荡现象，且振荡幅值越来越大，最终发散。图4表示使用本发明振动抑制控制算法时的电机转速波形，电机转速波形未出现振荡，系统达到稳定状态。可见利用本发明，可有效抑制由于控制系统不稳定带来的振动现象。

Claims (1)

1.一种电机控制方法，其步骤如下：

步骤1、电机速度偏差中的振动量提取及微分

首先采用峰值-带通滤波器，提取电机速度偏差中的振动量并作为微分控制的输入；其次，采用振动量提取及微分器将提取的振动量进行微分，得到电机速度偏差振动微分量；

振动量提取中，采用的峰值-带通滤波器传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

其中：ωn为峰值-带通滤波器中心频率(单位rad/s)，ξ为频带宽度系数，s为拉普拉斯变换算子；

振动量提取及微分器的传递函数D(s)为：

$D\left(s\right)=\frac{2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}*\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_n}=\frac{2{\mathrm{\ξs}}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

步骤2、相位调整

利用高通滤波器对电机速度偏差振动微分量进一步滤除直流量，利用低通滤波器进行相位调整；

步骤3、阻尼增益控制的实施

将相位调整后的速度偏差振动微分量，乘以阻尼增益，加算到速度控制器中。