CN107565862B - 一种适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于永磁同步电机控制优化相关技术领域，其公开了一种适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法，其包括以下步骤：(1)计算速度误差；(2)根据速度误差获取指令电流；(3)采用低通滤波器对采样后的指令电流进行处理；(4)将指令电流数据作为补偿量保存在数据，提取指令电流点；(5)对提取的指令电流点进行插补运算，每次进入中断时将计算得到的力矩电流补偿值叠加到所述指令电流上；(6)将叠加后重新计算出来的指令电流再进指令电流采样点的提取，重复步骤(3)至步骤(5)；(7)根据最新得到的叠加后的指令电流与电机反馈电流来得到脉冲宽度调制波来控制所述永磁同步电机运行。本发明运算量小，增加了补偿精度，降低了噪声。

Description

一种适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制优化相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法。

背景技术

目前，采用伺服驱动器控制永磁同步电机都会在低速运行时遇到速度波动较大的难题，该问题主要由控制算法及电机结构两部分同时影响，而电机结构则主要因为在低速下，齿槽效应和极对数对转矩产生更明显的作用，使电机速度产生随电机转动位置变化的波动值。齿槽转矩是由转子的永磁体磁场同定子铁心的齿槽相互作用而在圆周方向产生的转矩。齿槽转矩与定子的电流无关，它总是试图将转子定位在某些位置。齿槽转矩的存在影响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。

现有技术中减小电机波动的方法主要有以下几种：1.采用坐标变换法，针对相对电流中存在的5、7、11、13次谐波进行坐标变换而转换到坐标系d、q轴，并经滤波后进行反变换以补偿在静止坐标系上，由此作用于电机来使速度波动减小，然而，该方法计算量大，补充的谐波次数固定，不够灵活；2.将多层神经网络应用于永磁同步电机的速度波动补偿，但该方法不满足工程实时性要求。相应地，本领域存在发展一种运算量较小的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法，其基于永磁同步电机的工作特点，研究及设计了一种适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法。所述速度波动抑制方法采用离线提取数据及在线补偿的速度波动抑制方法，采用离线精准提取、滤波、插补等算法，降低了芯片的运算负荷，运算量较小，增加了补偿精度，提高了永磁同步电机转速平稳性，降低了噪声。此外，采用低通滤波提高采样精度，同时采用直线插补来提高补偿精度，采用二次补偿和相位调整分别对高低频部分进行补偿，使得补偿精度得到较大幅度的提高。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法，该方法包括以下步骤：

(1)获取永磁同步电机的指令速度及反馈速度，由此计算速度误差；

(2)根据获得的所述速度误差通过控制器调节所述指令速度及所述反馈速度，并输出指令电流；

(3)对所述指令电流进行采样，并采用低通滤波器对采样后的所述指令电流进行处理；

(4)将经所述低通滤波器处理后的指令电流数据作为补偿量保存在数据，并以每旋转机械角度360/N提取一个指令电流点，N为大于零的正整数；

(5)采用一次均匀B样条算法对提取到的N个指令电流点进行插补运算，每次进入中断时将计算得到的力矩电流补偿值叠加到所述指令电流上；

(6)将叠加后重新计算出来的指令电流再进行2N个指令电流采样点的提取，重复步骤(3)至步骤(5)；

(7)将步骤(6)得到的叠加后的指令电流与电机反馈电流通过速度控制器运算后输出，并由此得到脉冲宽度调制波来控制所述永磁同步电机运行，实现所述永磁同步电机的速度波动的抑制。

进一步地，步骤(1)中，采集编码器反馈脉冲，并通过MT法计算反馈速度，由此将获得的反馈速度与指令速度进行比较来计算速度误差。

进一步地，步骤(2)中的控制器为PI控制器。

进一步地，N满足以下公式：

N≥10×P×Z

式中，P为永磁同步电机的极对数，Z为永磁同步电机的齿槽数。

进一步地，所述的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法采用了两次补偿，第一次补偿是补偿极对数P对应的频率部分：第二次补偿是针对极对数P和齿槽数Z的乘积对应的频率部分：

进一步地，频率f_h经过低通滤波器的相移由以下公式计算：

式中，——相位滞后角度(°)；

f_c——截止频率；

RC——时间常数；

f——经过低通滤波器的波形频率。

进一步地，将步骤(6)得到的叠加后的指令电流与电机反馈电流通过速度开控制器运算后输出，并经IPark及SVPWM运算得到所述脉冲宽度调制波来控制所述永磁同步电机运行。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法主要具有以下有益效果：

1.所述速度波动抑制方法采用离线精准提取、滤波、插补等算法，降低了芯片的运算负荷，运算量较小，增加了补偿精度，提高了永磁同步电机转速平稳性，降低了噪声；

2.采用低通滤波提高采样精度，同时采用直线插补来提高补偿精度，采用二次补偿和相位调整分别对高低频部分进行补偿，使得补偿精度得到较大幅度的提高；

3.所述速度波动抑制方法简单易于实施，实时性较好，且可广泛应用于永磁同步电机的速度波动的抑制，具有较好的经济性。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法的流程图；

图2是图1中的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法涉及的方框图；

图3是采用图1中的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法得到的一次补偿、二次补偿与未补偿的速度曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2及图3，本发明较佳实施方式提供的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法，其采用速度环控制器来使反馈速度趋近指令速度，将电机按照输出指令力矩Iq_ref来运动。由于速度和力矩波动随电机机械角度变化，就可以设置表插补的方法将指令力矩Iq_ref在低速下提取出来以计算指令力矩Iq_ref对应的补偿值Iq_com，电机运行时再将补偿值Iq_com补偿在指令力矩位置。此时再调节指令速度时，仅改变速度控制器输出的直流量，由极对数和齿槽效应引起的波动量则大多由补偿值Iq_com来承担。

所述的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法主要包括以下步骤：

步骤一，获取永磁同步电机的指令速度及反馈速度，由此计算速度误差。具体地，采集编码器反馈脉冲，通过MT法计算反馈速度，由此将获得的反馈速度与指令速度进行比较来计算速度误差。

步骤二，根据获得的所述速度误差通过控制器调节所述指令速度speed_Ref及所述反馈速度speed_Fdb，并输出指令电流Iq_ref。具体地，根据所述速度误差来选用对应的控制器，采用所述控制器对所述指令速度speed_Ref及所述反馈速度speed_Fdb进行调节控制，并输出指令电流Iq_ref，此指令电流为原指令电流Iq_ref。本实施方式中，所述控制器为PI控制器。

步骤三，对所述指令电流Iq_ref进行采样，并采用低通滤波器对采样后的所述指令电流Iq_ref进行处理。

具体地，由于速度波动主要由极对数、齿槽数以及极对数和齿槽数乘积的频率波动构成，所以采样时为避免其他噪声对精度的影响，采用低通滤波器对采样后的指令电流进行处理，只保留原指令电流中极对数和齿槽倍数对应的频率波动。然而，低通滤波器将会带来一些问题，比如会一定程度上削减极对数和齿槽数乘积对应的频率幅值，并且在不同转速下的不同波动频率会由于低通滤波器相频特性而造成相位滞后不一致的情况，故可采用二次补偿来解决上述问题。

步骤四，将经过所述低通滤波器的指令电流数据作为补偿量保存在数据，以每旋转机械角度360/N提取一个指令电流点。具体地，提取点数N的选择方法为：根据极对数P和齿槽数Z来计算需要补偿的最大频率分量P×Z，以该频率下每周期提取10个以上指令电流点来保证精度，电机每转应提取指令电流点应满足：

N≥10×P×Z

低通滤波器会使指令电流数据的不同频率产生不同程度的相位滞后，所以需要把数组进行不同阶次的相位超前调整，用以补偿不同的波动频率。

步骤五，采用一次均匀B样条算法对提取到的N个指令电流点进行插补运算，每次进入中断时将计算得到的力矩电流补偿值叠加到所述指令电流上。

步骤六，将叠加后重新计算出来的指令电流再进行2N个指令电流采样点的提取，重复步骤三至步骤五。

第一次补偿的目的是补偿极对数P对应的低频部分：

第二次补偿针对极对数P和齿槽数Z的乘积对应的较高频部分：

含有不同频率成分的指令电流通过低通滤波器后，高频和低频部分产生的相位滞后不同，仅靠一次补偿不能把两部分频率同时补偿到位，故需要分为两个阶段进行补偿。第一阶段补偿时，将速度控制器输出的指令电流通过低通滤波器处理以得到力矩电流补偿值，只保留f_l频率部分，再使用数组保存采样值，并将此次得到的力矩电流补偿值插补到对应的指令电流上；第二阶段补偿时，将第一次补偿稳态后的速度控制器输出的指令电流再次通过低通滤波器进行处理，保留f_h的频率部分，由于该部分频率高，高转速下会产生明显的相位滞后，所以需要根据转速和电机类型来设计数据的相位超前值，进一步计算才能获得新的力矩电流补偿值。

理论上经过低通滤波器后的相移由以下公式提供计算基础：

式中，——相位滞后角度(°)；

RC——时间常数；

f_c——截止频率；

f——经过低通滤波器的波形频率。

步骤七，将步骤六得到的叠加后的指令电流与电机反馈电流通过速度控制器运算后输出，由此得到脉冲宽度调制波来控制所述永磁同步电机运行，实现所述永磁同步电机的速度波动的抑制。

具体地，将步骤六得到的叠加后的指令电流与电机反馈电流通过速度控制器运算后输出，并经IPark(两相-两相旋转变换)及SVPWM(空间矢量脉冲宽度调制)运算得到PWM(脉冲宽度调制)波来控制电机运行，实现电机的速度波动的抑制。

以下以一个实施例对本发明提供的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法作进一步的详细说明。

本实施例采用久同F4-30A伺服驱动器，所使用的芯片型号是:STM32F407，驱动电机类型为：

电机厂商	华大电机
		编码器类型	23位多摩川编码器
极对数	5
		齿槽数	12
额定电流(A)	4.5
		最高转速(r/min)	3000

本实施例提供的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法包括以下步骤：

S1，获取永磁同步电机的指令转速和反馈转速，并计算转速误差。具体地，采集编码器反馈脉冲，对于该电机机械角度旋转一周对应脉冲数为2²³个脉冲值，并通过MT法计算反馈速度，由此与指令转速进行PI控制器运算来获得指令电流。

S2，实验之前先调整速度环和电流环的PI控制器参数，使实际速度和反馈力矩(实际力矩电流)有较好的动态响应，然后再根据所述转速误差采用PI控制器对所述指令转速及所述反馈转速进行调节控制，并输出指令电流Iq_ref。将指令速度speed_Ref及反馈速度speed_Fdb进行PI控制，其连续公式是：

式中，K_p——比例放大系数；

T_I——积分时间常数；

e(t)——系统输入和输出在t时刻的偏差值；

u(t)——t时刻控制器输出值。

离散化为：

式中，K_p——比例放大系数；

T_I——积分时间常数；

T——采样周期；

e_k——最近一次输入和输出偏差值；

其中，PI控制器的输出即作为电流环的指令电流Iq_ref。

S3，在驱动器中断程序中，把采样的原指令电流Iq_ref提取出来，并经过低通滤波器，只保留极对数5和齿槽12的乘积5×12倍数以下的频率波动。这里滤波的目的是由于提取采样点数有限，如果直接将指令力矩电流赋值给补偿值，原信号中的高频部分将使补偿值准确度大幅降低，影响补偿效果。

S4，根据公式N≥10×P×Z，将经过低通滤波器后的指令电流以机械角度一周提取1000个指令电流点作为补偿值，每隔0.36°提取一个采样点，并对数据段进行相位以及幅值增益的调整，要获取比较准确的角度，则需要计算编码器脉冲值，电机每旋转一周将发送2²³个脉冲值，可以得到当前的机械角度为：

M_angle＝encoder_value×360/2²³

推广到17位编码器的计算公式为：

M_angle＝encoder_value×360/2¹⁷

式中，M_angle——当前机械角度；

encoder_value—当前编码器脉冲值；

2²³、2¹⁷——绝对式编码器每转脉冲量。

S5，由于提取采样点个数有限，每次中断采样的值精度有限，所以采用插补算法(例如直线插补、样条插补)对1000个采样点进行拟合，每次进入中断(10kHz)时将计算得到的力矩电流补偿值叠加到原指令电流上。本实施方式中，采用一次均匀B样条曲线对提取到的采样点进行拟合。

设一次均匀B样条曲线构成的多边形的顶点Pi(i＝0，1，…，n)，共有n+1个，定义一次均匀B样条曲线，由于每相邻的两个点就可以构造一条直线段P_i(u)，所以一共可以构造n段一次均匀B样条曲线，其定义表达式为：

P_i(u)＝(1-u)P_i-1+uP_i

式中，(i＝1，…，n；0≤u≤1)；

P_i(u)——构造的曲线段函数；

P_i——所构成直线的顶点；

u——从0到1递增取值。

根据定义可以得到：

P_i(0)＝P_i-1

P_i(1)＝P_i

S6，将经过步骤S1-S5速度补偿后、重新经PI控制器计算出来的指令电流再进行采样点的提取，第二次补偿主要针对齿槽效应带来的较大频率的谐波，齿槽效应频率为

第一次补偿时提取1000个点，齿槽效应带来的高频噪声经过低通滤波器后产生一定程度的相位滞后，比由极对数引起的频率波动经低通滤波器后的相位滞后严重，所以若只进行一次速度补偿，齿槽噪声的相位与极对数引起的谐波相位不能分别调整，即不能同时补偿这两部分的频率波动，所以本实施例采用二次速度补偿，第二次补偿由于波动频率高，所以提取点数选择为2N，即2000个采样点，每次补偿分别计算相位调整值进行超前操作。

理论上相位超前计算可以根据以下公式得出：

式中，——相位滞后角度；

RC——时间常数；

f——当前电机转速对应频率。

实际中该波动频率与理论计算有差异，受到电机和编码器类型影响，所以在本次试验中，相位关系的确定分为两步进行。

第一步根据理论公式得到相位的估算值

第二步进行在线整定，速度波动补偿算法进行到步骤S6时，自动调整相位从0到提取使速度波动最小时对应的实际相位误差循环完成后选定作为该速度下的最佳相位值。由于该电机特性固定，电机的其他速度可以近似由该速度下的线性计算得出。

S7，重复步骤S3-S5，将叠加后的指令电流与电机反馈电流通过电流环PI控制器运算后输出，经IPark(两相-两相旋转变换)及SVPWM运算得到PWM波来控制电机运行，由此实现电机的速度波动的抑制。

本发明提供的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法，该速度波动抑制方法采用离线提取数据及在线补偿的速度波动抑制方法，采用离线精准提取、滤波、插补等算法，降低了芯片的运算负荷，运算量较小，增加了补偿精度，提高了永磁同步电机转速平稳性，降低了噪声。此外，采用低通滤波提高采样精度，同时采用直线插补来提高补偿精度，采用二次补偿和相位调整分别对高低频部分进行补偿，使得补偿精度得到较大幅度的提高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)获取永磁同步电机的指令速度及反馈速度，由此计算速度误差；

(2)根据获得的所述速度误差通过控制器调节所述指令速度及所述反馈速度，并输出指令电流；

(3)对所述指令电流进行采样，并采用低通滤波器对采样后的所述指令电流进行处理；

(4)将经所述低通滤波器处理后的指令电流数据作为补偿量保存在数据组，并以每旋转机械角度360/N提取一个指令电流点，N满足以下公式：

N≥10×P×Z

式中，P为永磁同步电机的极对数，Z为永磁同步电机的齿槽数；

(5)采用一次均匀B样条算法对提取到的N个指令电流点进行插补运算，每次进入中断时将计算得到的力矩电流补偿值叠加到所述指令电流上；

(6)将叠加后重新计算出来的指令电流再进行2N个指令电流采样点的提取，重复步骤(3)至步骤(5)；

(7)将步骤(6)得到的叠加后的指令电流与电机反馈电流通过PI控制器运算后输出，并由此得到脉冲宽度调制波来控制所述永磁同步电机运行，实现所述永磁同步电机的速度波动的抑制；

其中，所述的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法采用了两次补偿，第一次补偿是补偿极对数P对应的频率部分：第二次补偿是针对极对数P和齿槽数Z的乘积对应的频率部分：

2.如权利要求1所述的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法，其特征在于：步骤(1)中，采集编码器反馈脉冲，并通过MT法计算反馈速度，由此将获得的反馈速度与指令速度进行比较来计算速度误差。

3.如权利要求1所述的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法，其特征在于：步骤(2)中的控制器为PI控制器。

4.如权利要求1所述的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法，其特征在于：频率f_h经过低通滤波器的相移由以下公式计算：

式中，——相位滞后角度(°)；

f_c——截止频率；

RC——时间常数；

f——经过低通滤波器的波形频率。

5.如权利要求1-4任一项所述的适用于永磁同步电机的速度波动抑制方法，其特征在于：将步骤(6)得到的叠加后的指令电流与电机反馈电流通过PI控制器运算后输出，并经IPark及SVPWM运算得到所述脉冲宽度调制波来控制所述永磁同步电机运行。