CN108712125A - 一种永磁同步电机相电流无时滞观测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种永磁同步电机相电流无时滞观测方法及装置，用于消除控制系统电流采样计算过程产生的电流反馈滞后延时。该种电流观测方法依据永磁同步电机电压控制方程建立电流观测模型，得到无时滞的电流反馈信号，进而提高控制系统电流反馈速度，提高控制系统的响应能力。

Description

一种永磁同步电机相电流无时滞观测方法及装置

技术领域

本发明主要是针对永磁同步电机的电流无时滞观测方法，是一种基于永磁同步电机电压控制方程的电流观测方法，该方法及装置可以有效消解决永磁同步电机电流采样计算延时问题，提高控制系统电流环响应速度。

背景技术

交流伺服系统的驱动控制过程采用脉宽调制器控制产生幅值相等、脉冲宽度不相等的脉冲序列波，用以驱动永磁同步电机旋转，脉冲信号的输出一般依据电流指令、速度指令或位置指令进行计算。对电流指令直接控制构成电流闭环，电流反馈值用于电流闭环的计算，最终输出的控制电压转换为脉宽调制波形。对速度指令控制，反馈速度输入速度闭环，经过计算得到电流指令输入电流反馈闭环，在电流闭环内计算得到控制电压并转换为脉宽调制波驱动永磁同步电机旋转。对位置指令控制，反馈位置输入位置闭环回路进行计算，得到速度指令值，进入速度闭环进行计算，进而得到电流指令值，进入电流闭环进行计算，最终输出控制电压值，转换为脉宽调制波形驱动永磁同步电机旋转。从上面位置、速度、电流的伺服控制流程可知，电流环是控制系统的最内环，位置环、速度环计算后最终都要输入到电流环进行电压控制方程计算，因此电流环是控制系统的核心，电流反馈环节是电流闭环结构的重要组成部分，电流反馈的实时性决定着控制系统电流环的响应特性，常规的交流伺服控制系统的电流采样计算时序分析如图1所示，包括：程序启动①处，首先读取上一个控制周期的电流AD(模数转换器)值，然后再次启动AD，此时，利用该值计算得到的电流值滞后了一个控制指令周期，在该控制周期内使用滞后一个控制周期的电流值i_n-1计算下个控制周期的电压矢量值U_n+1。在程序末尾②处执行空间矢量2->3变换，此时，空间电压矢量的计算又滞后一个控制周期。由反馈电流计算过程可知，电流值由模数采集到最终的脉宽调制波输出共延时了两个控制周期。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种永磁同步电机相电流无时滞观测方法及装置，旨在消除电流反馈滞后问题，提高控制系统电流环响应能力。

为实现上述目的，本发明包含以下步骤：

(1)建立永磁同步电机数学模型，得到d-q电压指令输出方程；

(2)将永磁同步电机三相反馈电流进行空间矢量坐标变换，得到d-q轴反馈电流；

(3)建立永磁同步电机相电流观测模型。

作为优选，所述的步骤(1)，通过以下方法实现：

永磁同步电机数学模型如式(1)所示：

式中：U_d、U_q为d轴和q轴定子电压指令；L_d、L_q为d轴和q轴等效电感；R_s为定子电阻；ω_e为电角速度；为转子磁链；i_d、i_q为d轴和q轴定子反馈电流。

作为优选，所述的步骤(2)，通过以下方法实现：

从永磁同步电机三相采集三相相电流模拟量，通过模数转换，得到三相反馈相电流数字量i_u、i_v、i_w，经过空间矢量坐标变化得到d-q轴反馈电流i_d、i_q如式(2)所示：

式中：θ_e为永磁同步电机转子电角度。

作为优选，所述的步骤(3)，通过以下方法实现：

由步骤(1)获得的d-q轴电压控制矢量方程可以写成如式(3)所示：

式中

在电流采样计算过程中存在延时，导致实际电流反馈值偏差，在电流环闭环计算过程中，参与反馈计算的电流值偏差直接导致d-q轴电压指令值计算偏差，进而导致空间电压矢量幅值及相位偏差，假设理想的控制电压指令其中为系统内使用的实际电压控制值，为电压补偿量，设电压矢量进一步地，可得下式(4)：

依据永磁同步电机数学模型公式(1)，可得电流状态观测器微分方程如式(5)所示：

式中：L_dq为d-q轴电感；为解耦后电压控制方程；为电压补偿方程；i_dq为d-q轴电流。

由此，构建电流状态观测器观测方程如式(6)所示：

式中：l₁为电流环状态观测误差调节系数。

在一个控制周期内，解耦后的电压补偿量可以认为固定不变，k代表当前控制周期，k+1代表下个控制周期，由此可得父层电流离散化状态方程如式(7)所示：

式中：l_c1、l_c2为父代电流环状态误差调节系数，T_s为控制系统控制计算周期。

从电流采样计算时序分析得知，反馈电流值从采样到完成电压指令计算实现脉宽调制波输出滞后了两个控制周期，为进一步对电流滞后进行补偿观测，将电流观测值的输出再次输入电流状态观测器对电流反馈滞后进行补偿，子层电流状态观测器状态方程可以写为如式(8)所示：

式中：l_c3，l_c4为子代电流状态观测器误差调节系数；；为T_s(k+2)周期d-q轴电流观测值；为T_s(k+2)周期解耦后d-q轴控制电压补偿值；为T_s(k+2)周期解耦后d-q轴控制电压值；L_dq为d-q轴电感值。

作为本发明的另一面，本发明提供一种永磁同步电机相电流无时滞观测装置，包括：

永磁同步电机单元，永磁同步电机单元的定子接收到功率调制单元输出的脉宽调制波形，驱动转子旋转；

编码器单元，用于对永磁同步电机单元转子的转角当前位置进行测量，输出永磁同步电机单元转子机械转角θ_m；

电角度转换单元，用于将由编码器单元得到的机械转角θ_m转换为用于永磁同步电机空间矢量坐标变换计算用的电角度θ_e；

电流传感器单元，用于将由永磁同步电机单元输出的三相电流转换为模拟信号；

模数转换单元，用于将电流传感器单元输出的模拟信号转换为数字信号i_u、i_v、i_w，便于后面计算处理；

三相电流空间矢量变换单元，用于将由模数转换单元得到的电流数字信号i_u、i_v、i_w以及电角度转换单元得到的电角度θ_e进行三相电流空间矢量坐标变化，得到d-q轴反馈电流i_d、i_q；

速度计算单元，用于计算永磁同步电机单元转子反馈速度ω_m，并将转子反馈速度ω_m转换为电角度ω_e；

电流状态观测器，用于对控制系统电流值进行观测，并输出电流观测值；

电流环解算单元，依据d-q轴电流指令i_dref、i_qref计算电流环反馈环节d-q轴电压指令U_d、U_q，将电流状态观测器输出的观测电流作为电流环的反馈电流，依据U_d、U_q进行空间矢量坐标变换，得到三相相电压输出指令U_u、U_v、U_w；

功率调制单元，用于将三相相电压输出信号U_u,v,w进行功率放大，输出幅值为母线电压V_dc的脉宽调制波形，驱动永磁同步电机单元旋转。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出的一种永磁同步电机相电流无时滞观测方法及装置能够有效消除电流采样计算过程造成的电流滞后。

(2)本发明提出的一种永磁同步电机相电流无时滞观测方法及装置，可以有效提高控制系统的电流环的响应特性。

附图说明

图1电流采样计算时序分析图；

图2离散化后的父代电流环状态观测器时序图；

图3离散化后的子代电流环状态观测器时序图；

图4电流观测装置结构图；

图5电流环解算单元控制框图；

图6电流响应波形图；

图7电流响应波形局部放大图；

具体实施方式

以下，参考附图，详细描述本发明的实施例。

为实现上述目的，本发明包含以下步骤：

(1)建立永磁同步电机数学模型，得到d-q电压指令输出方程；

(2)将永磁同步电机三相反馈电流进行空间矢量坐标变换，得到d-q轴反馈电流；

(3)建立永磁同步电机相电流观测模型。

所述的步骤(1)，通过以下方法实现：

永磁同步电机数学模型如式(1)所示：

式中：U_d，U_q为d轴和q轴定子电压指令；L_d，L_q为d轴和q轴等效电感；R_s为定子电阻；ω_e为电角速度；为转子磁链；i_d，i_q为d轴和q轴定子反馈电流。

所述的步骤(2)，通过以下方法实现：

从永磁同步电机单元1输出的三相电流通过电流传感器单元4进行采集，通过模数转换单元5进行信号转换，得到三相反馈相电流i_u、i_v、i_w，编码器单元2获得机械转角θ_m，通过电角度转换单元3对机械转角θ_m进行转换得到电角度θ_e，三相电流空间矢量变换单元6对三相反馈电流i_u,i_v,i_w进行空间矢量坐标变化得到d-q轴反馈电流i_d、i_q如式(2)所示：

所述的步骤(3)，通过以下方法实现：

由步骤(1)获得的d-q轴电压控制矢量方程可以写成如式(3)所示：

式中：

设理想的控制电压指令其中为系统内使用的实际电压控制值，为电压补偿量，设电压矢量进一步地，可得下式(4)：

进一步地，依据永磁同步电机数学模型公式(1)，可得d-q轴电流i_dq如式(5)所示：

式中：L_dq为d-q轴电感；为解耦后电压控制方程；为电压补偿方程；i_dq为d-q轴电流。

由此，构建电流状态观测器观测方程如式(6)所示：

式中：l₁为电流环状态观测误差调节系数。

在一个控制周期内，解耦后的电压补偿量可以认为固定不变，k代表当前控制周期，k+1代表下个控制周期，离散化后的电流环状态观测器时序图如图2所示，由此可得父层电流离散化状态方程如式(7)所示：

式中：l_c1、l_c2为父代电流环状态误差调节系数，T_s为控制系统控制计算周期。

从电流采样计算过程得知，反馈电流值从采样到完成电压指令计算实现脉宽调制波输出滞后了两个控制周期，为进一步对电流滞后进行补偿观测，将电流观测值的输出再次输入电流状态观测器对电流反馈滞后进行补偿，离散化后的子代电流环状态观测器时序如图3所示，子层电流状态观测器状态方程可以写为如式(8)所示：

式中：l_c3，l_c4为子代电流状态观测器误差调节系数；为T_s(k+2)周期d-q轴电流观测值；为T_s(k+2)周期解耦后d-q轴控制电压补偿值；为T_s(k+2)周期解耦后d-q轴控制电压值；L_dq为d-q轴电感值。

作为本发明的另一面，本发明提供一种永磁同步电机相电流无时滞观测装置，观测装置结构图如图4所示，包括：

永磁同步电机单元1，永磁同步电机单元1的定子接收到功率调制单元10输出的脉宽调制波形，驱动转子旋转；

编码器单元2，用于对永磁同步电机单元1转子的转角当前位置进行测量，输出永磁同步电机单元1转子机械转角θ_m；

电角度转换单元3，用于将由编码器单元2得到的机械转角θ_m转换为用于永磁同步电机空间矢量坐标变换计算用的电角度θ_e如式(9)所示：

θ_e＝θ_m*P (9)

电流传感器单元4，用于将由永磁同步电机单元1输出的三相电流转换为模拟信号；

模数转换单元5，用于将电流传感器单元4输出的模拟信号转换为数字信号i_u、i_v、i_w，便于后面计算处理；

三相电流空间矢量变换单元6，用于将由模数转换单元5得到的电流数字信号i_u、i_v、i_w以及电角度转换单元3得到的电角度θ_e进行三相电流空间矢量坐标变化，得到d-q轴反馈电流i_d、i_q如式(10)所示：

速度计算单元7，用于计算永磁同步电机单元1转子反馈速度ω_m，并将转子反馈速度ω_m转换为电角度ω_e如式(11)所示：

ω_e＝ω_m*P (11)

电流状态观测器8，用于对控制系统电流值进行观测，并输出电流观测值，具体实施过程如下：

从永磁同步电机单元1输出的三相电流通过电流传感器单元4进行采集，通过模数转换单元5进行信号模数转换，得到三相反馈相电流i_u、i_v、i_w，依据电角度转换单元3得到的电角度θ_e，三相电流空间矢量变换单元6对三相反馈电流i_u、i_v、i_w进行空间矢量坐标变化，由上式(2)得到d-q轴反馈电流i_d、i_q；

依据永磁同步电机数学模型如上式(1)，可以得到理想的d-q轴电压控制方程如上式(3)所示；

令理想控制电压其中为系统内使用的实际电压控制值，为电压补偿量；令解耦后电压控制方程可得

依据永磁同步电机数学模型公式(1)，可得电流状态观测器的微分方程如上式(5)所示；

进一步地，构建电流状态观测器观测方程如上式(6)所示；

在一个控制周期内，解耦后的电压补偿量可以认为固定不变，k代表当前控制周期，k+1代表下个控制周期，由此可得父层电流离散化状态方程如上式(7)所示；

从电流采样计算过程得知，反馈电流值从采样到完成电压指令计算实现脉宽调制波输出滞后了两个控制周期，为进一步对电流滞后进行补偿观测，将电流观测值的输出再次输入电流状态观测器对电流反馈滞后进行补偿，得到子代电流观测值进而子层电流状态观测器状态方程可以写为如上式(8)所示。

电流环解算单元9，依据d-q轴电流指令i_dref、i_qref，将电流状态观测器8输出的电流观测值作为电流反馈值，计算电流环反馈环节d-q轴电压指令U_d、U_q，依据永磁同步电机数学模型，将永磁同步电机数学模型进行离散化，并采用PI控制器，实现d-q轴电压指令的计算，k代表当前计算周期，k-1代表上一个计算周期，电流环解算单元控制框图如图5所示，具体实施过程如下：

依据当前计算周期电流指令值i_dref、i_qref与实际d-q轴电流观测值得到电流反馈偏差i_{d_err}、i_{q_err}如式(12)所示：

依据当前计算周期电流反馈误差i_{d_err(k)}、i_{q_err(k)}及积分系数K_i对电流误差积分值i_{d_org(k)}、i_{q_org(k)}进行求解如式(13)所示：

依据当前计算周期得到的电流误差积分值i_{d_org(k)}、i_{q_org(k)}，观测电流以及比例系数K_v对d-q轴控制电压U_d(k)、U_q(k)进行求解如式(14)所示：

式中：Rs为永磁同步电机等效电阻，L_d、L_q为永磁同步电机d-q轴等效电感值，ω_e为永磁同步电机电角度转速值，为永磁同步电机等效磁链系数。

进一步地，依据U_d、U_q进行空间矢量坐标变换，得到三相相电压输出指令U_u、U_v、U_w如式(15)所示：

功率调制单元10，用于将三相相电压输出信号U_u,v,w进行功率放大，输出幅值为母线电压V_dc的脉宽调制波形，驱动永磁同步电机单元旋转；

本发明具体实施案例对电流环进行阶跃响应测试，给指定d轴电流指令i_dref＝0.5A，电流环比例增益系数K_v设置为3000，积分增益系数K_i设置为550，l_c1设置为300，l_c2设置为75，l_c3设置为300，l_c4设置为75，控制周期T_s为50微秒，分别应用父代电流状态观测器、子代状态观测得到的电流波形如图6所示，图7是图6的局部放大图，从图中可以看出父代电流状态观测的电流不仅抑制了电流的振荡，并且延时较小。从图6、7中可知，子代电流状态观测器对电流的预测能力更强，并且子代电流状态观测器在一定程度上消除了父代电流状态观测器的高频振荡问题。

预计发明推广应用的可行性及前景：

电流环控制是伺服控制系统的最核心部分，电流环响应性能决定着伺服控制系统的响应能力，本发明可以有效消除由于电流采样解算过程造成的反馈电流滞后问题，进而提高电流环响应速度，本发明所提出的方法及装置可以广泛应用于高档加工机床、机器人、航空航天等要求高响应、高精度伺服技术的领域。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机相电流无时滞观测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)建立永磁同步电机数学模型，得到d-q电压指令输出方程；

(2)将永磁同步电机三相反馈电流进行空间矢量坐标变换，得到d-q轴反馈电流；

(3)建立永磁同步电机相电流观测模型。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机相电流无时滞观测方法，其特征在于：所述的步骤(1)通过以下方法实现：

永磁同步电机数学模型如式(1)所示：

式中：U_d，U_q为d轴和q轴定子电压指令；L_d，L_q为d轴和q轴等效电感；R_s为定子电阻；ω_e为电角速度；为转子磁链；i_d，i_q为d轴和q轴定子反馈电流。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机相电流无时滞观测方法，其特征在于：所述的步骤(2)通过以下方法实现：

从永磁同步电机三相采集三相相电流模拟量，通过模数转换，得到三相反馈相电流数字量i_u、i_v、i_w，经过空间矢量坐标变化得到d-q轴反馈电流i_d、i_q如式(2)所示：

式中：θ_e为永磁同步电机转子电角度。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机相电流无时滞观测方法，其特征在于：所述的步骤(3)通过以下方法实现：

由步骤(1)获得的d-q轴电压控制矢量方程可以写成如下式(3)的形式：

式中，

在电流采样计算过程中存在延时，导致实际电流反馈值偏差，在电流环闭环计算过程中，参与反馈计算的电流值偏差直接导致d-q轴电压指令值计算偏差，进而导致空间电压矢量幅值及相位偏差，假设理想的控制电压指令其中为系统内使用的实际电压控制值，为电压补偿量，设电压矢量可得式(4)：

依据永磁同步电机数学模型公式(1)，可得电流状态观测器微分方程如式(5)所示：

式中:L_dq为d-q轴电感；为解耦后电压控制方程；为电压补偿方程；i_dq为d-q轴电流；

由此，构建电流状态观测器观测方程如式(6)所示：

式中：l₁为电流环状态观测误差调节系数。

在一个控制周期内，解耦后的电压补偿量可以认为固定不变，k代表当前控制周期，k+1代表下个控制周期，由此可得父层电流离散化状态方程如式(7)所示：

式中：l_c1、l_c2为父代电流环状态误差调节系数，T_s为控制系统控制计算周期。

从电流采样计算时序分析得知，反馈电流值从采样到完成电压指令计算实现脉宽调制波输出滞后了两个控制周期，为进一步对电流滞后进行补偿观测，将电流观测值的输出再次输入电流状态观测器对电流反馈滞后进行补偿，子层电流状态观测器状态方程可以写为如式(8)所示：

式中：l_c3，l_c4为子代电流状态观测器误差调节系数；为T_s(k+2)周期d-q轴电流观测值；为T_s(k+2)周期解耦后d-q轴控制电压补偿值；为T_s(k+2)周期解耦后d-q轴控制电压值；L_dq为d-q轴电感值。

5.一种基于权利要求1所述的永磁同步电机相电流无时滞观测方法的装置，其特征在于，包括：

永磁同步电机单元，永磁同步电机单元的定子接收到功率调制单元输出的脉宽调制波形，驱动转子旋转；

编码器单元，用于对永磁同步电机单元转子的转角当前位置进行测量，输出永磁同步电机单元转子机械转角θ_m；

电角度转换单元，用于将由编码器单元得到的机械转角θ_m转换为用于永磁同步电机空间矢量坐标变换计算用的电角度θ_e；

电流传感器单元，用于将由永磁同步电机单元输出的三相电流转换为模拟信号；

模数转换单元，用于将电流传感器单元输出的模拟信号转换为数字信号i_u、i_v、i_w，便于后面计算处理；

三相电流空间矢量变换单元，用于将由模数转换单元得到的电流数字信号i_u、i_v、i_w以及电角度转换单元得到的电角度θ_e进行三相电流空间矢量坐标变化，得到d-q轴反馈电流i_d、i_q；

速度计算单元，用于计算永磁同步电机单元转子反馈速度ω_m，并将转子反馈速度ω_m转换为电角度ω_e；

电流状态观测器，用于对控制系统电流值进行观测，并输出电流观测值；

电流环解算单元，依据d-q轴电流指令i_dref、i_qref计算电流环反馈环节d-q轴电压指令U_d、U_q，将电流状态观测器输出的观测电流作为电流环的反馈电流，依据U_d、U_q进行空间矢量坐标变换，得到三相相电压输出指令U_u、U_v、U_w；

功率调制单元，用于将三相相电压输出信号U_u,v,w进行功率放大，输出幅值为母线电压V_dc的脉宽调制波形，驱动永磁同步电机单元旋转。