CN109039195B - 伺服电机的间接矢量控制方法、系统及装置 - Google Patents

伺服电机的间接矢量控制方法、系统及装置 Download PDF

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CN109039195B CN201810507203.8A CN201810507203A CN109039195B CN 109039195 B CN109039195 B CN 109039195B CN 201810507203 A CN201810507203 A CN 201810507203A CN 109039195 B CN109039195 B CN 109039195B
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Abstract

本发明公开了伺服电机的间接矢量控制方法、系统及装置，方法包括：计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量；获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度；根据伺服电机的角速度计算电角速度；根据伺服电机q轴的定子电流分量和电角速度，计算伺服电机d轴的定子电压分量；根据伺服电机d轴的定子电压分量，对伺服电机的dq轴进行解耦控制；系统包括电流计算模块、角速度计算模块、电角速度计算模块、电压计算模块和解耦控制模块。本发明的成本低、能实现完全解耦控制且控制精度高，可广泛应用于伺服电机控制技术领域。

Description

伺服电机的间接矢量控制方法、系统及装置
技术领域
本发明涉及伺服电机控制技术领域，尤其是伺服电机的间接矢量控制方法、系统及装置。
背景技术
现有的伺服电机控制技术，一般是采用矢量控制方法，把UVW的三相向d轴和q轴的坐标进行坐标变换，然后通过d轴和q轴这两相来进行控制，这种控制方法也叫dq矢量控制法。dq矢量控制法是以电机转子的磁场方向作为d轴、以与d轴正交的轴作为q轴，然后通过dq坐标系上的等价电路来进行电动机的控制处理。但是，在dq矢量控制法中，即使把伺服电机的三相电流都变换到dq坐标下，但d轴的定子电流分量和q轴的定子电流分量之间会互相耦合，因而无法进行单一变量控制(如只控制定子电压在q轴的分量)。而现有技术为了实现单一变量控制，通过控制d轴的定子电流分量为0，然后通过控制q轴的定子电流分量来实现电机的调速控制。
现有的技术为了实现d轴的定子电流分量为0，需要设计一个电流控制器，其一般采用比例-积分(PI)控制算法。d轴的反馈电流则是经过检测的伺服电机的三相电流，并经过上述的三相转两相的矢量变换策略获得。现有的这种矢量控制方案存在以下的问题：
1)需要通过霍尔传感器来检测电机的三相电流，增加了控制成本；
2)电流控制器很难精确控制d轴的定子电流分量为0，只能近似达到这个条件，因此，该方法无法实现完全解耦控制；
3)通过控制q轴的定子电流分量来间接控制定子电压在q轴的分量，需要实时获取电机电角速度和定子电流等电机参数，这些电机参数的获取难度大且存在时变现象，因此，很难获得较高的控制精度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种成本低、能够实现完全解耦控制且控制精度高的，伺服电机的间接矢量控制方法、系统及装置。
本发明所采取的第一技术方案是：
伺服电机的间接矢量控制方法，包括以下步骤：
计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量；
获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度；
根据伺服电机的角速度计算电角速度；
根据伺服电机q轴的定子电流分量和电角速度，计算伺服电机d轴的定子电压分量；
根据伺服电机d轴的定子电压分量，对伺服电机的dq轴进行解耦控制。
进一步，所述计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤，包括以下步骤：
根据伺服电机在dq坐标系上的等价方程，获取伺服电机的开环运行方程；其中，所述伺服电机在dq坐标系上的等价方程为：
Figure BDA0001671568650000021
Figure BDA0001671568650000022
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；Rs代表定子慢阴；id表示定子慢流在d轴的分量；
Figure BDA0001671568650000023
代表微分算子；ψd表示定子磁链在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；Lq代表伺服电机q轴上的电感分量；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量；ψq表示定子磁链在q轴的分量；Ld代表伺服电机d轴上的电感分量；ψf代表转子磁通；
根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量；
所述伺服电机的开环运行方程为：
ud＝-ωeLqiq
uq＝Rsiq+ωeψf。
进一步，所述根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤，包括以下步骤：
输入伺服电机q轴的定子电压分量；
根据伺服电机的开环运行方程和输入的q轴定子电压分量，计算伺服电机q轴的定子电流分量，所述q轴定子电流分量的计算公式为：
Figure BDA0001671568650000031
其中，uq表示定子电压在q轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψf代表转子磁通；Rs代表定子电阻。
进一步，所述所述根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤，还包括以下步骤：
将伺服电机d轴的电压设定值转换为α轴的电压设定值，并将伺服电机q轴的电压设定值转换为β轴的电压设定值；
将α轴的电压设定值和β轴的电压设定值转化成相应的脉冲宽度；
根据转化得到的脉冲宽度，控制逆变器驱动伺服电机运行。
进一步，所述获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度这一步骤，包括以下步骤：
通过编码器检测伺服电机的实时运行角度变化值；
根据伺服电机的实时运行角度变化值，计算伺服电机的角速度，所述伺服电机的角速度计算公式为：
Figure BDA0001671568650000032
其中，ω代表伺服电机的角速度；T代表检测周期；Δθ代表检测周期内伺服电机的实时运行角度变化值。
进一步，所述根据伺服电机的角速度计算电角速度这一步骤中，所述电角速度的计算公式为：
ωe＝pω，
其中，ωe代表伺服电机的电角速度；p代表伺服电机的极对数；ω代表伺服电机的角速度。
进一步，所述根据伺服电机q轴的定子电流分量和电角速度，计算伺服电机d轴的定子电压分量这一步骤中，所述伺服电机d轴的定子电压分量的计算公式为：
ud＝-ωeLqiq，
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；Lq代表伺服电机q轴上的电感分量；iq表示定子电流在q轴的分量。
本发明所采取的第二技术方案是：
伺服电机的间接矢量控制系统，包括：
电流计算模块，用于计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量；
角速度计算模块，用于获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度；
电角速度计算模块，用于根据伺服电机的角速度计算电角速度；
电压计算模块，用于根据伺服电机q轴的定子电流分量和电角速度，计算伺服电机d轴的定子电压分量；
解耦控制模块，用于根据伺服电机d轴的定子电压分量，对伺服电机的dq轴进行解耦控制。
进一步，所述角速度计算模块包括：
检测单元，用于通过编码器检测伺服电机的实时运行角度变化值；
角速度计算单元，用于根据伺服电机的实时运行角度变化值，计算伺服电机的角速度。
本发明所采取的第三技术方案是：
伺服电机的间接矢量控制装置，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载程序，以执行如第一技术方案所述的伺服电机的间接矢量控制方法。
本发明的有益效果是：本发明首先计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量，然后计算伺服电机的电角速度，最后计算得到伺服电机d轴的定子电压分量，以对伺服电机的dq轴进行解耦控制；本发明能通过单一控制伺服电机q轴的定子电压分量，来间接控制伺服电机d轴的定子电压分量，从而实现完全解耦控制，提高了控制的精度；另外，本发明不需要使用霍尔传感器来检测三相电流，硬件成本较低。
附图说明
图1为本发明伺服电机的间接矢量控制方法的整体步骤流程图；
图2为本发明实施例的伺服电机控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明伺服电机的间接矢量控制方法，包括以下步骤：
计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量；
获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度；
根据伺服电机的角速度计算电角速度；
根据伺服电机q轴的定子电流分量和电角速度，计算伺服电机d轴的定子电压分量；
根据伺服电机d轴的定子电压分量，对伺服电机的dq轴进行解耦控制。
进一步作为优选的实施方式，所述计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤，包括以下步骤：
根据伺服电机在dq坐标系上的等价方程，获取伺服电机的开环运行方程；其中，所述伺服电机在dq坐标系上的等价方程为：
Figure BDA0001671568650000051
Figure BDA0001671568650000052
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；Rs代表定子电阻；id表示定子电流在d轴的分量；
Figure BDA0001671568650000053
代表微分算子；ψd表示定子磁链在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；Lq代表伺服电机q轴上的电感分量；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量；ψq表示定子磁链在q轴的分量；Ld代表伺服电机d轴上的电感分量；ψf代表转子磁通；
根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量；
所述伺服电机的开环运行方程为：
ud＝-ωeLqiq
uq＝Rsiq+ωeψf。
进一步作为优选的实施方式，所述根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤，包括以下步骤：
输入伺服电机q轴的定子电压分量；
根据伺服电机的开环运行方程和输入的q轴定子电压分量，计算伺服电机q轴的定子电流分量，所述q轴定子电流分量的计算公式为：
Figure BDA0001671568650000061
其中，uq表示定子电压在q轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψf代表转子磁通；Rs代表定子电阻。
进一步作为优选的实施方式，所述根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤，还包括以下步骤：
将伺服电机d轴的电压设定值转换为α轴的电压设定值，并将伺服电机q轴的电压设定值转换为β轴的电压设定值；
将α轴的电压设定值和β轴的电压设定值转化成相应的脉冲宽度；
根据转化得到的脉冲宽度，控制逆变器驱动伺服电机运行。
进一步作为优选的实施方式，所述获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度这一步骤，包括以下步骤：
通过编码器检测伺服电机的实时运行角度变化值；
根据伺服电机的实时运行角度变化值，计算伺服电机的角速度，所述伺服电机的角速度计算公式为：
Figure BDA0001671568650000062
其中，ω代表伺服电机的角速度；T代表检测周期；Δθ代表检测周期内伺服电机的实时运行角度变化值。
进一步作为优选的实施方式，所述根据伺服电机的角速度计算电角速度这一步骤中，所述电角速度的计算公式为：
ωe＝pω，
其中，ωe代表伺服电机的电角速度；p代表伺服电机的极对数；ω代表伺服电机的角速度。
进一步作为优选的实施方式，所述根据伺服电机q轴的定子电流分量和电角速度，计算伺服电机d轴的定子电压分量这一步骤中，所述伺服电机d轴的定子电压分量的计算公式为：
ud＝-ωeLqiq，
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；Lq代表伺服电机q轴上的电感分量；iq表示定子电流在q轴的分量。
与图1的方法相对应，本发明伺服电机的间接矢量控制系统，包括：
电流计算模块，用于计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量；
角速度计算模块，用于获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度；
电角速度计算模块，用于根据伺服电机的角速度计算电角速度；
电压计算模块，用于根据伺服电机q轴的定子电流分量和电角速度，计算伺服电机d轴的定子电压分量；
解耦控制模块，用于根据伺服电机d轴的定子电压分量，对伺服电机的dq轴进行解耦控制。
进一步作为优选的实施方式，所述角速度计算模块包括：
检测单元，用于通过编码器检测伺服电机的实时运行角度变化值；
角速度计算单元，用于根据伺服电机的实时运行角度变化值，计算伺服电机的角速度。
与图1的方法相对应，本发明伺服电机的间接矢量控制装置，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载程序，以执行本发明的伺服电机的间接矢量控制方法。
下面以图2所示的伺服电机控制系统为例，详细介绍本发明伺服电机的间接矢量控制方法的具体实施步骤：
S1、根据伺服电机在dq坐标系上的等价方程，获取伺服电机的开环运行方程；所述伺服电机在dq坐标系上的等价方程为：
Figure BDA0001671568650000071
Figure BDA0001671568650000072
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；Rs代表定子电阻；id表示定子电流在d轴的分量；
Figure BDA0001671568650000081
代表微分算子；ψd表示定子磁链在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；Lq代表伺服电机q轴上的电感分量；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量；ψq表示定子磁链在q轴的分量；Ld代表伺服电机d轴上的电感分量；ψf代表转子磁通；
伺服电机在常规运行状态下，有：
Figure BDA0001671568650000082
将其代入伺服电机在dq坐标系上的等价方程后，得到：
ud＝Rsid-ωeLqiq
uq＝Rsiq+ωeLdid+ωeψf，
所述伺服电机的开环运行方程为：
ud＝-ωeLqiq
uq＝Rsiq+ωeψf，
其中，Rs、Ld、Lq和ψf这些参数可以由伺服电机的参数表查阅得知；
另外，开环运行方程中的uq是系统指令量，只要确定有输入值(即不为零)，则能控制伺服电机运行，从而产生对应的iq和ωe。
S2、根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机q轴的定子电流分量；
其中，步骤S2具体包括以下步骤：
S21、输入伺服电机q轴的定子电压分量；
S22、根据伺服电机的开环运行方程和输入的q轴定子电压分量，计算伺服电机q轴的定子电流分量，所述q轴定子电流分量的计算公式为：
Figure BDA0001671568650000083
其中，uq表示定子电压在q轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψf代表转子磁通；Rs代表定子电阻。
参照图2，本发明通过把伺服电机的d轴设定值转换为α轴对应设定值，把伺服电机的q轴设定值转换为β轴对应设定值，并将α轴的电压设定值
Figure BDA0001671568650000093
和β轴的电压设定值
Figure BDA0001671568650000094
转化成相应的脉冲宽度，进而控制逆变器驱动电机运行。
S3、获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度；
其中，步骤S3具体包括以下步骤：
S31、通过编码器检测伺服电机的实时运行角度变化值；
S32、根据伺服电机的实时运行角度变化值，计算伺服电机的角速度，所述伺服电机的角速度计算公式为：
Figure BDA0001671568650000091
其中，ω代表伺服电机的角速度；T代表检测周期；Δθ代表检测周期内伺服电机的实时运行角度变化值。
S4、根据伺服电机的角速度计算电角速度；所述电角速度的计算公式为：
Figure BDA0001671568650000092
其中，ωe代表伺服电机的电角速度；p代表伺服电机的极对数；ω代表伺服电机的角速度。
S5、根据伺服电机q轴的定子电流分量和电角速度，计算伺服电机d轴的定子电压分量；
所述伺服电机d轴的定子电压分量的计算公式为：
ud＝-ωeLqiq，
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；Lq代表伺服电机q轴上的电感分量；iq表示定子电流在q轴的分量。
S6、根据伺服电机d轴的定子电压分量，对伺服电机的dq轴进行解耦控制。本发明只要根据每一个指令输入值uq计算出对应的ud，则可以保证id等于0，进而实现三相伺服电机在dq轴的解耦控制。
综上所述，本发明伺服电机的间接矢量控制方法、系统及装置具有以下优点：
1)、本发明能通过单一控制伺服电机q轴的定子电压分量，来间接控制伺服电机d轴的定子电压分量，从而实现完全解耦控制，提高了控制的精度；
2)、本发明不需要使用霍尔传感器来检测三相电流，硬件成本较低。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.伺服电机的间接矢量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
获取定子电压在q轴的分量，根据定子电压在q轴的分量计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量；
获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度；
根据伺服电机的角速度计算电角速度；
根据伺服电机q轴的定子电流分量和电角速度，计算伺服电机d轴的定子电压分量；
根据伺服电机d轴的定子电压分量，对伺服电机的dq轴进行解耦控制；
其中，所述计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤包括：
根据伺服电机在dq坐标系上的等价方程，获取伺服电机的开环运行方程；
根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量；
所述根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤，包括以下步骤：
输入伺服电机q轴的定子电压分量；
根据伺服电机的开环运行方程和输入的q轴定子电压分量，计算伺服电机q轴的定子电流分量；
所述获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度这一步骤，包括以下步骤：
通过编码器检测伺服电机的实时运行角度变化值；
根据伺服电机的实时运行角度变化值，计算伺服电机的角速度，所述伺服电机的角速度计算公式为：
Figure FDA0002760574400000011
其中，ω代表伺服电机的角速度；T代表检测周期；Δθ代表检测周期内伺服电机的实时运行角度变化值；
所述根据伺服电机的角速度计算电角速度这一步骤中，所述电角速度的计算公式为：
ωe＝pω，
其中，ωe代表伺服电机的电角速度；p代表伺服电机的极对数；ω代表伺服电机的角速度。
2.根据权利要求1所述的伺服电机的间接矢量控制方法，其特征在于：所述计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤中，所述伺服电机在dq坐标系上的等价方程为：
Figure FDA0002760574400000021
Figure FDA0002760574400000022
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；Rs代表定子电阻；id表示定子电流在d轴的分量；
Figure FDA0002760574400000023
代表微分算子；ψd表示定子磁链在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；Lq代表伺服电机q轴上的电感分量；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量；ψq表示定子磁链在q轴的分量；Ld代表伺服电机d轴上的电感分量；ψf代表转子磁通；
所述伺服电机的开环运行方程为：
ud＝-ωeLqiq
uq＝Rsiq+ωeψf。
3.根据权利要求1所述的伺服电机的间接矢量控制方法，其特征在于：所述根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤中，
所述q轴定子电流分量的计算公式为：
Figure FDA0002760574400000024
其中，uq表示定子电压在q轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψf代表转子磁通；Rs代表定子电阻。
4.根据权利要求3所述的伺服电机的间接矢量控制方法，其特征在于：所述根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤，还包括以下步骤：
将伺服电机d轴的电压设定值转换为α轴的电压设定值，并将伺服电机q轴的电压设定值转换为β轴的电压设定值；
将α轴的电压设定值和β轴的电压设定值转化成相应的脉冲宽度；
根据转化得到的脉冲宽度，控制逆变器驱动伺服电机运行。
5.根据权利要求1所述的伺服电机的间接矢量控制方法，其特征在于：所述根据伺服电机q轴的定子电流分量和电角速度，计算伺服电机d轴的定子电压分量这一步骤中，所述伺服电机d轴的定子电压分量的计算公式为：
ud＝-ωeLqiq，
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；Lq代表伺服电机q轴上的电感分量；iq表示定子电流在q轴的分量。
6.伺服电机的间接矢量控制系统，其特征在于：包括：
电流计算模块，用获取定子电压在q轴的分量，根据定子电压在q轴的分量于计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量；
角速度计算模块，用于获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度；
电角速度计算模块，用于根据伺服电机的角速度计算电角速度；
电压计算模块，用于根据伺服电机q轴的定子电流分量和电角速度，计算伺服电机d轴的定子电压分量；
解耦控制模块，用于根据伺服电机d轴的定子电压分量，对伺服电机的dq轴进行解耦控制；
其中，所述计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤包括：
根据伺服电机在dq坐标系上的等价方程，获取伺服电机的开环运行方程；
根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量；
所述根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机在开环运行状态下q轴的定子电流分量这一步骤，包括以下步骤：
输入伺服电机q轴的定子电压分量；
根据伺服电机的开环运行方程和输入的q轴定子电压分量，计算伺服电机q轴的定子电流分量；
所述获取伺服电机的实时运行角度，然后根据实时运行角度计算伺服电机的角速度这一步骤，包括以下步骤：
通过编码器检测伺服电机的实时运行角度变化值；
根据伺服电机的实时运行角度变化值，计算伺服电机的角速度，所述伺服电机的角速度计算公式为：
Figure FDA0002760574400000041
其中，ω代表伺服电机的角速度；T代表检测周期；Δθ代表检测周期内伺服电机的实时运行角度变化值；
所述根据伺服电机的角速度计算电角速度这一步骤中，所述电角速度的计算公式为：
ωe＝pω，
其中，ωe代表伺服电机的电角速度；p代表伺服电机的极对数；ω代表伺服电机的角速度。
7.根据权利要求6所述的伺服电机的间接矢量控制系统，其特征在于：所述角速度计算模块包括：
检测单元，用于通过编码器检测伺服电机的实时运行角度变化值；
角速度计算单元，用于根据伺服电机的实时运行角度变化值，计算伺服电机的角速度。
8.伺服电机的间接矢量控制装置，其特征在于：包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载程序，以执行如权利要求1-5任一项所述的伺服电机的间接矢量控制方法。
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