CN108418484B - 一种计算机可读存储介质和应用该介质的交流永磁伺服系统 - Google Patents

一种计算机可读存储介质和应用该介质的交流永磁伺服系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及交流永磁伺服系统技术领域，特别涉及一种计算机可读存储介质和应用该介质的交流永磁伺服系统，该介质内存有计算机程序，该计算机程序可被交流永磁伺服系统的处理器执行。由给定角速度ω*得到转矩电流iq*并且把转矩电流iq*前馈到速度控制器的输出端，这样可以不经过PI调节器而直接得到输出角速度ω，大大地加快了伺服系统中的角速度响应，增大了伺服系统速度环的带宽，减小了反馈速度对给定转速的相位滞后。

Description

一种计算机可读存储介质和应用该介质的交流永磁伺服系统
技术领域
本发明涉及交流永磁伺服系统技术领域，特别涉及一种计算机可读存储介质和应用该介质的交流永磁伺服系统，该介质内存有计算机程序，该计算机程序可被交流永磁伺服系统的处理器执行。
背景技术
目前伺服系统的控制策略基本上采用传统的矢量控制，速度控制器一般采用PI调节器。PI调节器采用PI控制算法，属于线性调节器，PI调节器主要对速度(角速度)误差进行调节，其中比例增益能够使速度误差快速收敛，而积分增益能够消除速度的静态误差，二者结合能够将速度误差快速收敛到零，达到使反馈速度跟踪给定速度的目的。传统的PI控制算法具有稳定、鲁棒性好、响应速度快等特点，能够满足大多数的现场应用需求，也就使得PI调节器广泛应用于各种自动控制设备中。
在实际应用中，如电子凸轮系统，为了减小电机加速时对机械产生的冲击，电机的给定速度往往不是脉冲曲线，而是正弦速度曲线等加速度连续的速度曲线，这样可以保证电机旋转对机械结构的作用力也是连续的，没有任何冲击，始终是柔和的。但是，加速度连续的速度曲线意味着速度变化频繁，给定速度的给定频率较高。由于PI调节器是线性调节器，受线性调节器速度采样精度和控制周期的影响，PI调节器的比例增益不能无限增大。当给定速度的频率较高时，PI调节器实际的反馈速度无法快速跟踪给定速度，限制了伺服系统可以有效跟踪给定速度的频率范围，也就限制了伺服系统的速度控制器的速度环响应的带宽。另外，由于采样精度有限，太大的比例增益会带来较大的速度扰动，使伺服系统产生不稳定。因此，传统的PI速度控制算法无法对高频给定的给定速度进行实时追踪，会产生一定的相位滞后。
发明内容
发明人发现：伺服系统的伺服电机一般采用永磁同步电机，永磁同步电机在dq坐标系下的状态方程为
Te＝pψfaisq (式1)，
Figure BDA0001574287480000011
其中，Te为电磁转矩，p为极对数，ψfa转子磁链，isq转矩电流，J为转动惯量，ω为转子角速度，TL为负载转矩。
由于永磁同步电机的转子磁链ψfa和极对数p是固定的，因此，由式1可知，电机的电磁转矩Te正比于转矩电流isq。忽略负载转矩TL的影响，单独考察给定对电磁转矩Te的影响，则式2简化为
Figure BDA0001574287480000021
由式3可知，要使转子获得
Figure BDA0001574287480000022
的加速度，即ω的角速度，则需要注入的转矩电流isq为
Figure BDA0001574287480000023
其中K为负载惯量系数(式4)。
发明人想到只需要调整速度控制器输出端的转矩电流isq就可以得到与给定角速度ω*匹配的输出角速度ω，那么，通过以上分析，如果把速度控制器输入端的给定的转矩电流iq*直接前馈给到速度控制器的输出端，就可以直接得到输出角速度ω。
本发明的目的在于提供一种存储有在给定速度被高频给定的情况下依然能够快速跟踪给定速度的计算机程序的计算机可读存储介质，以及应用该介质的交流永磁伺服系统。
为实现上述目的，本发明提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序来调整交流永磁伺服系统中的速度控制器的输出角速度ω，该程序被处理器执行时实现以下步骤：
转矩电流iq*获取步骤，其在速度控制器的输入端，根据速度控制器的给定角速度ω*，在忽略伺服系统的负载转矩TL的情况下得到转矩电流iq*；
转矩电流iq*前馈步骤，其把转矩电流iq*前馈到速度控制器的输出端；
输出角速度ω计算步骤，其在速度控制器的输出端，根据被前馈过来的转矩电流iq*，在忽略伺服系统的负载转矩TL的情况下得到输出角速度ω。
其中，在转矩电流iq*获取步骤中，通过式
Figure BDA0001574287480000024
计算得到转矩电流iq*，其中，K为负载惯量系数。
其中，在输出角速度ω计算步骤中，通过式
Figure BDA0001574287480000025
计算得到输出角速度ω，其中，K为负载惯量系数。
其中，在转矩电流iq*获取步骤中，负载惯量系数K是通过离线识别方式或者在线识别方式确定的。
其中，通过离线识别方式确定负载惯量系数K，具体地，把预先设定的角速度波形中一段连续的角速度值分为N个角速度单元，每个角速度单元的大小为Δω1，记第R个角速度单元对应的平均转矩电流为isqR,那么该第R个角速度单元之后的连续M个角速度单元所对应的平均转矩电流之和通过式
Figure BDA0001574287480000031
计算得到，负载惯量系数K的值通过式
Figure BDA0001574287480000032
计算得到，其中，N为大于2的整数，R和M为小于或者等于N的自然数。
其中，所述一段连续的角速度值是从0到最大角速度值，取R＝0，M＝N，负载惯量系数K的值通过式
Figure BDA0001574287480000033
计算得到。
其中，所述预先设定的角速度波形是三角波。
其中，通过在线识别方式确定负载惯量系数K，该步骤具体包括如下步骤：
瞬时系数获取步骤，其获取在当前给定角速度ω*之前或者之后的长度为Δω2的角速度单元的平均转矩电流isqX，根据该平均转矩电流isqX和Δω2的比值得到负载惯量系数K的瞬时系数；
负载惯量系数K获取步骤，对上述瞬时系数进行低通滤波得到负载惯量系数K。
其中，包括在瞬时系数获取步骤之前执行的变化率获取步骤和判断步骤：
变化率获取步骤，其实时获取给定角速度ω*的变化率；
判断步骤，其判断当前给定角速度ω*的变化率是否大于预设值X，若判断结果为是，则允许执行瞬时系数获取步骤。
还提供一种交流永磁伺服系统，包括处理器和上述计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上的计算机程序可被处理器执行。
有益效果：由给定角速度ω*得到转矩电流iq*并且把转矩电流iq*前馈到速度控制器的输出端，这样可以不经过PI调节器而直接得到输出角速度ω，大大地加快了伺服系统中的角速度响应，增大了伺服系统速度环的带宽，减小了反馈速度对给定转速的相位滞后。
附图说明
图1是转矩电流iq*的前馈的控制框图。
图2是在线识别方式中确定负载惯量系数K的控制框图。
图3是给定转速和传统速度控制器控制下反馈速度的波形图。
图4是给定转速和经过交流永磁伺服系统调整后的反馈速度的波形图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
在交流永磁伺服系统中设有存储器，其存储有对交流永磁伺服系统中的速度控制器的输出角速度ω进行调整的程序，交流永磁伺服系统的处理器在执行上述程序时实施如下步骤。
一、转矩电流iq*获取步骤，处理器在速度控制器的输入端，根据速度控制器的给定角速度ω*，在忽略伺服系统的负载转矩TL的情况下得到转矩电流iq*。具体来说，通过式
Figure BDA0001574287480000041
计算得到转矩电流iq*，其中，K为负载惯量系数。
二、转矩电流iq*前馈步骤，如图1所示，处理器把转矩电流iq*前馈到速度控制器的输出端。
三、输出角速度ω计算步骤，处理器在速度控制器的输出端，根据被前馈过来的转矩电流iq*，在忽略伺服系统的负载转矩TL的情况下得到输出角速度ω，然后把该输出角速度ω作为速度控制器的最终输出角速度ω输出。具体来说，通过式
Figure BDA0001574287480000042
计算得到输出角速度ω，其中，K为负载惯量系数。
在给定速度被高频给定的情况下，由给定角速度ω*得到转矩电流iq*，并且把转矩电流iq*实时前馈到速度控制器的输出端，可以越过PI调节器直接得到速度控制器的最终输出角速度ω。另外，PI调节器也可以与上述转矩电流iq*前馈方式共同工作，PI调节器根据反馈到速度控制器输入端的角速度对速度控制器的最终输出角速度ω做进一步调整，使得速度控制器能够快速、准确地跟踪给定速度。
由于不同的交流永磁伺服系统的负载惯量K各不相同，为了得到转矩电流iq*，需要先确定负载惯量系数K，该负载惯量系数K可以通过离线识别方式或者在线识别方式确定。
其中，通过离线识别方式确定负载惯量系数K具体通过如下方式实现：把预先设定的角速度波形中一段连续的角速度值分为N个角速度单元，每个角速度单元的大小为Δω1，记第R个角速度单元对应的平均转矩电流为isqR,那么该第R个角速度单元之后的连续M个角速度单元所对应的平均转矩电流之和通过式计算得到，负载惯量系数K的值通过式计算得到。其中，N为大于2的整数，R和M为小于或者等于N的自然数。为了简化计算，预先设定的角速度波形是三角波；为了保证得到的负载惯量系数K的精度，设定一段连续的角速度值是从0到最大角速度值，取R＝0，M＝N，负载惯量系数K的值通过式
Figure BDA0001574287480000052
计算得到。
其中，通过如图2所示的在线识别方式确定负载惯量系数K，该步骤具体包括如下步骤：
瞬时系数获取步骤，其获取在当前给定角速度ω*之前或者之后的长度为Δω2的角速度单元的平均转矩电流isqX，根据该平均转矩电流isqX和Δω2的比值得到负载惯量系数K的瞬时系数；
负载惯量系数K获取步骤，对上述瞬时系数进行低通滤波得到负载惯量系数K。
为了节省运算量，在执行瞬时系数获取步骤之前先执行变化率获取步骤和判断步骤：
变化率获取步骤，实时获取给定角速度ω*的变化率；
判断步骤，判断当前给定角速度ω*的变化率是否大于预设值X，若判断结果为是，则允许执行瞬时系数获取步骤。
通过在瞬时系数获取步骤之前增加变化率获取步骤和判断步骤，在给定角速度ω*的变化率超过一定值，速度变化频繁导致反馈速度无法实时跟踪给定速度的时候才允许执行获取负载惯量系数K的步骤，从而通过转矩电流iq*的前馈来实现速度的控制。在给定角速度ω*的给定频率较低时还是通过PI调节器来控制速度，如此则可以减少运算量，并且保证速度控制器的控制的实时性和准确性。
经过离线识别方式确认的负载惯量系数K准确度比较高，但是需要在交流永磁伺服系统正式工作之前单独执行确认步骤，较为繁琐；而在线识别方式牺牲了一定的精确度，但是可以在交流永磁伺服系统工作的过程中再执行，简化了操作步骤。实际操作时可以根据需要选择离线识别方式或在线识别方式来确定负载惯量系数K。
在伺服系统的其他参数相同的情况下，提供相同的给定转速的波形，图3是传统速度控制器控制下反馈速度2相对给定转速1的波形对比图，图4是经过本实施例调整后，把转矩电流iq*前馈到速度控制器的输出端之后的反馈速度2相对给定转速1的波形对比图。如图3所示，传统速度控制器在转速给定突变的情况下，速度反馈无法很好的跟踪给定转速，而图4中速度反馈能够很好的跟踪给定转速，达到了预期的控制效果。

Claims (7)

1.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序来调整交流永磁伺服系统中的速度控制器的输出角速度ω，其特征在于，该程序被处理器执行时实现以下步骤：
转矩电流iq*获取步骤，其在速度控制器的输入端，根据速度控制器的给定角速度ω*，在忽略伺服系统的负载转矩TL的情况下得到转矩电流iq*；
转矩电流iq*前馈步骤，其把转矩电流iq*前馈到速度控制器的输出端；
输出角速度ω计算步骤，其在速度控制器的输出端，根据被前馈过来的转矩电流iq*，在忽略伺服系统的负载转矩TL的情况下得到输出角速度ω；
在转矩电流iq*获取步骤中，负载惯量系数K是通过离线识别方式或者在线识别方式确定的；
通过在线识别方式确定负载惯量系数K，该步骤具体包括如下步骤：瞬时系数获取步骤，其获取在当前给定角速度ω*之前或者之后的长度为Δω2的角速度单元的平均转矩电流isqX，根据该平均转矩电流isqX和Δω2的比值得到负载惯量系数K的瞬时系数；
包括在瞬时系数获取步骤之前执行的变化率获取步骤和判断步骤：
变化率获取步骤，其实时获取给定角速度ω*的变化率；
判断步骤，其判断当前给定角速度ω*的变化率是否大于预设值X，若判断结果为是，则允许执行瞬时系数获取步骤。
2.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，在转矩电流iq*获取步骤中，通过式
Figure FDA0002160131620000011
计算得到转矩电流iq*，其中，K为负载惯量系数。
3.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，在输出角速度ω计算步骤中，通过式
Figure FDA0002160131620000012
计算得到输出角速度ω，其中，K为负载惯量系数。
4.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，通过离线识别方式确定负载惯量系数K，具体地，把预先设定的角速度波形中一段连续的角速度值分为N个角速度单元，每个角速度单元的大小为Δω1，记第R个角速度单元对应的平均转矩电流为isqR,那么该第R个角速度单元之后的连续M个角速度单元所对应的平均转矩电流之和通过式
Figure FDA0002160131620000013
计算得到，负载惯量系数K的值通过式
Figure FDA0002160131620000014
计算得到，其中，N为大于2的整数，R和M为小于或者等于N的自然数。
5.根据权利要求4所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一段连续的角速度值是从0到最大角速度值，取R＝0，M＝N，负载惯量系数K的值通过式计算得到。
6.根据权利要求4所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述预先设定的角速度波形是三角波。
7.一种交流永磁伺服系统，包括处理器，其特征在于，还包括如权利要求1～6中任一项所述计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上的计算机程序可被处理器执行。
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