CN109061271B - 一种电机电流采样方法、电机控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机电流采样方法、电机控制方法及装置。其中电流采样方法，包括以下步骤：S41、根据电机的一个控制周期，在预设的一个或多个时刻发起一个或多个采样；S42、在发起采样的每个时刻提前一预设时间，分别捕捉电机电流数据；S43、计算所述控制周期内捕捉的电机电流数据的平均电流值。电机控制方法包括以下步骤：A、进行电机电流采样，得到矢量电流；B、通过编码器对电机进行位置采样，获得电机的反馈位置和计算得到电机反馈速度；C、基于路径规划，计算出电机的速度输入参量；D、基于指令速度和换算的指令电流进行PID控制；E、通过电流环PID处理模块的输出电压分量以及速度环PID处理模块的输出量，输出用于控制电机的三相电压。

Description

一种电机电流采样方法、电机控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电机电流采样方法、电机控制方法及装置，属于电机电气控制领域。

背景技术

在电机控制技术领域中，输出均采用PWM调制。因此，在实际使用中，电机的电流波形是呈现三角波的。这些三角波分量，对于电机控制来说，属于谐波范围。原因有两个：一方面，电流采样器件本身具备延迟，输出信号也需要滤波，造成相位滞后，这种滞后无法精准预测。另一方面，很多驱动器只有单相电流采样，三相电流需要分时轮流采样，无法精确判定采样位置。因此，急需一种电流的采样方法，尽可能精确地检测电流值，以减小电流的抖动现象。

发明内容

本发明提供一种电机电流采样方法、电机控制方法及装置，改进了现有的机电电流采样方案，获得大幅度减小电流的抖动的技术效果。

本发明的技术方案第一方面为一种电机电流采样方法，包括以下步骤：

S41、根据电机的一个控制周期，在预设的一个或多个时刻发起一个或多个采样；

S42、在发起采样的每个时刻提前一预设时间，分别捕捉电机电流数据；

S43、计算所述控制周期内捕捉的电机电流数据的平均电流值。

进一步，所述步骤S41包括：至少在电机控制周期的起始时刻和中间时刻分别发起采样。

进一步，在所述步骤S42中：所述预设时间至少小于所述控制周期的四分之一。

进一步，所述步骤S43包括：将多个控制周期的计算得到的多个平均电流值按时间维度进行插值，得到沿时间维度的连续的电流采样值曲线，作为机电闭环控制的反馈电流输入值。

进一步，所述的电机电流采样方法，还包括以下步骤：每隔一段时间，检测所述电流采样值曲线在一时间范围内的斜率跳变值，如果该斜率跳变值超过一阈值，是则调整所述的预设时间。

进一步，所述的电机电流采样方法，还包括以下步骤：每隔一段时间，判断所计算的多个控制周期的平均电流值之间的抖动值是否超过一电流抖动阈值，是则调整所述的预设时间。

进一步，所述的电机电流采样方法还包括以下步骤：整定调节所述的预设时间，使得在后续的多个控制周期的平均电流值之间的抖动值小于预设的电流抖动阈值。

本发明的技术方案第二方面为一种电机控制方法，包括以下步骤：A、进行电机电流采样，然后将采集的反馈电流依次经过CLARK变换和PARK变换得到矢量电流；B、通过编码器对电机进行位置采样，获得电机的反馈位置和计算得到电机反馈速度；C、基于路径规划，计算出电机的速度输入参量；D、基于指令速度和换算的指令电流进行PID控制；E、通过电流环PID处理模块的输出电压分量以及速度环PID处理模块的输出量，计算矢量电压，并依次经过IPARK变换和ICLARK变换后，输出用于控制电机的三相电压，其中，在所述步骤A中还执行上述的方法。

本发明的技术方案第三方面为一种微计算装置，包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的微计算程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法。

本发明的有益效果为：

克服了现有技术问题，提出改进的电机电流采样方法；配合PID电机反馈控制系统，可以大幅度减小电机实际的电流抖动。

附图说明

图1所示为现有技术中的电机输出电流波形图。

图2所示为根据本发明的实施例的中电流采样的示意图。

图3所示为总体的伺服电机控制回路。

图4所示为根据本发明的电机控制方法的电流环的控制框图。

图5所示为根据本发明的电机控制方法的速度环的控制框图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

在现有技术中，电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制A相的电路中电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流

与输出电流i_a进行比较，电流偏差Δi_a超过±h时，经滞环控制器HBC控制逆变器A相上(或下)桥臂的功率器件动作。B、C二相的原理均于此相同。如

图1所示，采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形图。如果，

且

滞环控制器HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件VT1导通，变压变频器输出正电压，使i_a增大。当i_a增长到与

相等时，HBC仍保持输出正电平，保持上桥臂功率开关器件导通，使i_a继续增大。直到达到

Δi_a＝-h时，滞环翻转，HBC输出负电平，上桥臂功率开关器件关断，并经延时后驱动下桥臂功率开关器件VT4。但此时未必能导通，由于电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二级管续流，使VT4受到反向钳位而不能导通。此后，i_a逐渐偏小，直到到达滞环偏差的下限值，使HBC再次翻转，又重复导通。这样交替工作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。虽然输出电流接近正弦波，但是取某一特定时刻的电流值去计算，还是存在较大误差。

基于上述应用场合，本文的技术方案提供一种电机电流采样方法，包括以下步骤：

S41、根据电机的一个控制周期，在预设的一个或多个时刻发起一个或多个采样，优选地至少在电机控制周期的起始时刻和中间时刻分别发起采样；

S42、在发起采样的每个时刻提前一预设时间(至少小于控制周期的四分之一)，分别捕捉电机电流数据；

S43、计算控制周期内捕捉的电机电流数据的平均电流值。

图2所示为本发明中电流采样方法的一具体实施例的示意图。其中，长方形框是一个控制周期。控制周期的起始时刻为T1，中间时刻为T2。箭头1表示对T1时刻和T2时刻的电流进行采样，采样值分别为I1和I2。由于电流采样器本身具有一定的延迟，造成电流的相位滞后。设置预设时间为T，分别采集(T1-T)时刻的电流值记为I(T1-T)，(T2-T)时刻的电流值记为I(T2-T)。则平均电流采样值I＝{[I1-I(T1-T)]+[I2-I(T2-T)]}/2。可以直接用平均电流采样值I进行电机反馈控制，以大幅度减小后续的控制周期的电机输出电流的抖动现象。

在进一步的实施例中，步骤S43还包括：将多个控制周期的计算得到的多个平均电流值按时间维度进行插值，得到沿时间维度的连续的电流采样值曲线。这样也可以通过离散时刻采样和计算的电流数值，估算出连续的时间对应的电流数值作为机电闭环控制的反馈电流输入值。

在进一步的实施例中，电机电流采样方法还包括以下步骤：每隔一段时间，检测电流采样值曲线在一时间范围内的斜率跳变值，如果该斜率跳变值超过一阈值(例如20％)，是则调整所述的预设时间T。

在进一步的实施例中，电机电流采样方法还包括以下步骤：每隔一段时间，判断所计算的多个控制周期的平均电流值之间的抖动值是否超过一电流抖动阈值，是则调整所述的预设时间T。

在进一步的实施例中，电机电流采样方法还包括以下步骤：整定调节所述的预设时间T，使得在后续的多个控制周期的平均电流值之间的抖动值小于预设的电流抖动阈值。这种整定方式类似于PID控制中的参数整定。例如，可以在一定的范围内持续调整预设时间T，然后统计所采集和计算的平均电流值之间的抖动值，选取抖动值最少的对应的预设时间T作为当前应用场景的特定的预设时间Tx值；后续利用该Tx值进行电机电流采样。

本文还提供电机控制方法，基于上述的采样方法计算电机指令速度，然后进行电机控制，进一步减低电机抖动。

参照图3，所述的电机控制方法包括以下步骤：

A、进行电机电流采样，然后将采集的反馈电流依次经过CLARK变换和PARK变换得到矢量电流；

B、通过编码器对电机进行位置采样，获得电机的反馈位置和计算得到电机反馈速度；

C、基于路径规划，计算出电机的速度输入参量；

D、基于指令速度和换算的指令电流进行PID控制；

E、通过电流环PID处理模块的输出电压分量以及速度环PID处理模块的输出量，计算矢量电压，并依次经过IPARK变换和ICLARK变换后，输出用于控制电机的三相电压，

在步骤A中可以执行以下步骤：S41、根据电机的一个控制周期，在预设的一个或多个时刻发起一个或多个采样，优选地至少在电机控制周期的起始时刻和中间时刻分别发起采样；S42、在发起采样的每个时刻提前一预设时间(至少小于控制周期的四分之一)，分别捕捉电机电流数据；S43、计算控制周期内捕捉的电机电流数据的平均电流值。步骤S43还包括：将多个控制周期的计算得到的多个平均电流值按时间维度进行插值，得到沿时间维度的连续的电流采样值曲线。这样也可以通过离散时刻采样和计算的电流数值，估算出连续的时间对应的电流数值作为机电闭环控制的反馈电流输入值。在进一步的实施例中，电机电流采样方法还包括以下步骤：每隔一段时间，检测电流采样值曲线在一时间范围内的斜率跳变值，如果该斜率跳变值超过一阈值(例如20％)，是则调整所述的预设时间T。在进一步的实施例中，电机电流采样方法还包括以下步骤：每隔一段时间，判断所计算的多个控制周期的平均电流值之间的抖动值是否超过一电流抖动阈值，是则调整所述的预设时间T。在进一步的实施例中，电机电流采样方法还包括以下步骤：整定调节所述的预设时间T，使得在后续的多个控制周期的平均电流值之间的抖动值小于预设的电流抖动阈值。这种整定方式类似于PID控制中的参数整定。例如，可以在一定的范围内持续调整预设时间T，然后统计所采集和计算的平均电流值之间的抖动值，选取抖动值最少的对应的预设时间T作为当前应用场景的特定的预设时间Tx值；后续利用该Tx值进行电机电流采样。

在步骤D中，如图4所示，可以执行以下步骤：S11、将输入的指令速度与电机反馈速度的速度差经过速度环PID处理模块处理后获得指令电流值；S12、将指令电流值通过由所述确定延迟配置的前馈单元的处理后，与采集所得的矢量电流值进行差值处理，获得电流差值，然后将电流差值经过电流环PID处理模块处理后获得电压分量；S13、基于指令电流值通过微分处理模块处理得到的电流微分结果与所述电流环PID处理模块处理得到的电压分量，使矢量电压计算模块进行矢量电压计算。所述步骤S12还包括：将通过前馈单元处理后的指令电流值依次进行两次Z反变换，然后，变换后的电流值减去矢量电流得到电流差值。所述步骤S13还包括：将原指令电流值和经过一次Z反变换的指令电流值一起通过微分处理模块处理得到的电流微分结果值。所述步骤S13还包括：将指令电流值通过微分处理模块处理后，再经过电流环PID处理模块处理，然后将得到的结果值连同所述电流环PID处理模块处理得到的电压分量一起传输到矢量电压计算模块进行矢量电压计算。

此外，在步骤D中，如图5所示，还可以执行以下步骤：S21、将电机反馈速度进行一阶速度滤波，并且将指令速度进行一阶速度滤波；S22、将原指令速度与一阶滤波后的指令速度进行差值运算，并且将该差值运算的结果与一阶滤波的电机反馈速度进行求和运算，得到求和速度；S23、将所述求和速度与原指令速度进行差值运算，然后将运算结果传输到速度环PID处理模块。所述步骤S21包括：当检测到电机反馈转速小于一速度阈值时，将电机反馈速度进行一阶速度滤波，并且将指令速度进行一阶速度滤波，其中所述速度阈值小于或等于60rpm。

应当认识到，本发明的方法的实施例可以由微计算硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性微计算可读存储器中的微计算指令来实现或实施。微计算硬件可以是单片机、FPGA、PLC等工控元件和设备。所述方法可以使用标准编程技术。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与微计算系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个微计算系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个微计算程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述微计算程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你微计算、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的微计算平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程微计算读取，当存储介质或设备由微计算读取时可用于配置和操作微计算以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性微计算可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括微计算本身。

微计算程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (9)

1.一种电机电流采样方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S41、根据电机的一个控制周期，在预设的一个或多个时刻发起一个或多个采样；

S42、在发起采样的每个时刻提前一预设时间，分别捕捉电机电流数据；

S43、计算所述控制周期内捕捉的电机电流数据的平均电流值；

S44、每隔一段时间，判断所计算的多个控制周期的平均电流值之间的抖动值是否超过一电流抖动阈值，是则调整所述的预设时间。

2.根据权利要求1所述的电机电流采样方法，其特征在于，所述步骤S41包括：

至少在电机控制周期的起始时刻和中间时刻分别发起采样。

3.根据权利要求1或2所述的电机电流采样方法，其特征在于，在所述步骤S42中：

所述预设时间至少小于所述控制周期的1/4。

4.根据权利要求1所述的电机电流采样方法，其特征在于，所述步骤S43包括：

将多个控制周期的计算得到的多个平均电流值按时间维度进行插值，得到沿时间维度的连续的电流采样值曲线，作为机电闭环控制的反馈电流输入值。

5.根据权利要求4所述的电机电流采样方法，其特征在于，还包括以下步骤：

每隔一段时间，检测所述电流采样值曲线在一时间范围内的斜率跳变值，如果该斜率跳变值超过一阈值，是则调整所述的预设时间。

6.根据权利要求1所述的电机电流采样方法，其特征在于，还包括以下步骤：

整定调节所述的预设时间，使得在后续的多个控制周期的平均电流值之间的抖动值小于预设的电流抖动阈值。

7.一种电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、进行电机电流采样，然后将采集的反馈电流依次经过CLARK变换和PARK变换得到矢量电流；

B、通过编码器对电机进行位置采样，获得电机的反馈位置和计算得到电机反馈速度；

C、基于路径规划，计算出电机的速度输入参量；

D、基于指令速度和换算的指令电流进行PID控制；

E、通过电流环PID处理模块的输出电压分量以及速度环PID处理模块的输出量，计算矢量电压，并依次经过IPARK变换和ICLARK变换后，输出用于控制电机的三相电压，

其中，在所述步骤A中还执行如权利要求1至6中任一项所述的方法。

8.根据权利要求7所述的电机控制方法，其特征在于，所述步骤D还包括以下子步骤：

S11、将输入的指令速度与电机反馈速度的速度差经过速度环PID处理模块处理后获得指令电流值；

S12、将指令电流值通过由确定延迟配置的前馈单元的处理后，与采集所得的矢量电流值进行差值处理，获得电流差值，然后将电流差值经过电流环PID处理模块处理后获得电压分量；

S13、基于指令电流值通过微分处理模块处理得到的电流微分结果与所述电流环PID处理模块处理得到的电压分量，使矢量电压计算模块进行矢量电压计算，

其中，所述的确定延迟是电流采样与控制输出之间的确定的时间延迟。

9.一种微计算装置，包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的微计算程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。

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