CN109217759B - 伺服系统电流环调节器优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种伺服系统电流环调节器优化方法，包括步骤：通过∑–△型模数转换器实时采集电机的输出电流模拟信号并将其转换为第一电流数字信号；通过第一SINC滤波器和第二SINC滤波器分别采集第一电流数字信号；滤波，获得第二电流数字信号和第三电流数字信号；依次进行Clark变换和Park变换；通过第一PI调节器获得第一调节输出信号；通过第二PI调节器获得第二调节输出信号；进行空间矢量脉宽调制，获得一脉宽调制控制电流；将脉宽调制电流作为电机的输入电流。本发明的一种伺服系统电流环调节器优化方法，在保证了电流环快速响应的同时，能够降低对噪声的敏感性，提高伺服电机的控制精度。

Description

伺服系统电流环调节器优化方法

技术领域

本发明涉及电机驱动控制技术领域，尤其涉及一种伺服系统电流环调节器优化方法。

背景技术

目前，伺服驱动器作为自动化设备领域不可或缺的重要组成部分，在很多行业得到了广泛的应用。但目前大部分市场份额都被国外品牌所占据。而国产伺服驱动器性能不足的地方主要为其控制算法。其中，电流环动态特性尤其关键，如果电流环特性较差，从而会导致的力矩响应较慢，影响整个伺服系统的速度响应和位置响应。故伺服驱动器的电流环中的调节器的设计尤为重要。

目前，伺服系统大多采用全数字式控制，电流环主要控制流程是采样、变换、调节器计算、调制PWM输出。一般采用PI调节器的控制方式来调节电流环，提高比例增益可以提高响应速度，但是增益太大会引起超调和震荡，影响稳定性。

请参阅图1，电流环控制包括电流传感器，AD数据转换(SINC滤波器)，电机坐标轴变换，电流坐标轴调节器(dq轴PI调节器)，空间矢量脉宽调制(SVPWM)等。

所有数据处理都是由DSP芯片TMS320F28377完成，∑-Δ型ADC转换芯片采用ADI公司的AD7401A，DSP的SDFM模块(Sigma Delta Filter Module)进行SINC滤波，坐标轴变换、dq轴PI调节器、空间矢量脉宽调制等计算都在DSP中完成。

传统电流环使用单通道ADC进行电流采样，采样后的电流进行坐标变换后，得到电机dq坐标下的i_d、i_q反馈，作为PI电流调节器的输入。可以看出，在此型电流调节中，i_d、i_q反馈只有一个，当提高电流增益(P/I增大)时，外部噪声容易引入，影响控制效果。现有技术的伺服系统电流环控制频响波形图请参阅图2。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种伺服系统电流环调节器优化方法，在保证了电流环快速响应的同时，能够降低对噪声的敏感性，提高伺服电机的控制精度。

为了实现上述目的，本发明提供一种伺服系统电流环调节器优化方法，包括步骤：

S1：通过一∑-Δ型模数转换器实时采集一电机的输出电流模拟信号并将所述输出电流模拟信号转换为第一电流数字信号；

S2：通过一第一SINC滤波器和一第二SINC滤波器分别采集所述第一电流数字信号；

S3：所述第一SINC滤波器对所述第一电流数字信号滤波，获得一第二电流数字信号，所述第二SINC滤波器对所述第一电流数字信号滤波，获得一第三电流数字信号；

S4：对所述第二电流数字信号依次进行Clark变换和Park变换，获得一第一反馈输入信号和一第二反馈输入信号；对所述第三电流数字信号依次进行Clark变换和Park变换，获得一第三反馈输入信号和一第四反馈输入信号；

S5：通过一第一PI调节器处理所述第一反馈输入信号和所述第三反馈输入信号，获得一第一调节输出信号；通过一第二PI调节器处理所述第二反馈输入信号和所述第四反馈输入信号，获得一第二调节输出信号；

S6：通过一空间矢量脉宽调制器对所述第一调节输出信号和所述第二调节输出信号进行空间矢量脉宽调制，获得一脉宽调制控制电流；

S7：将所述脉宽调制电流作为所述电机的输入电流。

优选地，所述第一SINC滤波器的抽取率低于所述第二SINC滤波器的抽取率。

优选地，所述S4步骤中，根据公式(1)和公式(2)对所述第二电流数字信号进行Clark变换和Park变换：

其中，i_a、i_b、i_c为所述第二电流数字信号的三相电流；i_α、i_β为对所述第二电流数字信号进行所述Clark变换后获得的二相电流；i_d为所述第一反馈输入信号，i_q为所述第二反馈输入信号，且i_d、i_q为对所述第二电流数字信号进行所述Park变换后获得的二相电流，θ为电气角度。

优选地，所述S4步骤中，根据公式(3)和公式(4)对所述第三电流数字信号进行Clark变换和Park变换：

其中，i′_a、i′_b、i′_c为所述第三电流数字信号的三相电流；i′_α、i′_β为对所述第三电流数字信号进行所述Clark变换后获得的二相电流；i′_d为所述第三反馈输入信号，i′_q为所述第四反馈输入信号，且i′_d、i′_q为对所述第三电流数字信号进行所述Park变换后获得的二相电流。

优选地，所述S5步骤中，将所述第一反馈输入信号作为所述第一PI调节器的P调节部的反馈输入，将所述第三反馈输入信号作为所述第一PI调节器的I调节部的反馈输入；将所述第二反馈输入信号作为所述第二PI调节器的P调节部的反馈输入，将所述第四反馈输入信号作为所述第二PI调节器的I调节部的反馈输入。

优选地，所述步骤S5中，所述第一PI调节器和所述第二PI调节器的输出满足公式(5)：

其中，U_out为所述第一PI调节器和所述第二PI调节器的输出；K_p为调节器比例增益；i_e为所述第一反馈输入信号或所述第二反馈输入信号；K_i为调节器积分增益；i′_e为所述第三反馈输入信号或所述第四反馈输入信号，t为时间。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

1、通过第一SINC滤波器和第二SINC滤波器两路SINC滤波器对伺服电机电流数据的实时采集，实现了用不同反馈作为输入的电流调节，同时满足电机响应的快速性和对扰动抑制能力的要求，避免了高带宽电流环存在的稳定裕度低的问题。在保证了伺服电机响应速度的同时，具有更高的稳定裕度。

2、同时，通过两路SINC滤波器的采用，可大幅降低电流环对电噪声的敏感性，伺服电机电流输出受电噪声的影响较小，避免了高增益电流环由于响应电噪声等虚假信号而造成的电机控制精度下降的现象。

3、相较于现有电流环调节器，本发明的一种伺服系统电流环调节器优化方法多一路坐标变换环节，且调节器输入有差别，算法的实现更为简单。

附图说明

图1为现有技术的伺服系统电流环控制原理图；

图2为现有技术的伺服系统电流环控制频响波形图；

图3为本发明实施例的伺服系统电流环调节器优化方法的流程图；

图4为本发明实施例的伺服系统电流环控制原理图；

图5为本发明实施例的伺服系统电流环控制频响波形图。

具体实施方式

下面根据附图2～图5，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图3和图4，本发明实施例的一种伺服系统电流环调节器优化方法，包括步骤：

S1：通过一∑-Δ型模数转换器1实时采集一电机2的输出电流模拟信号并将输出电流模拟信号转换为第一电流数字信号；

S2：通过一第一SINC滤波器31和一第二SINC滤波器32分别采集第一电流数字信号；本实施例中，第一SINC滤波器31的抽取率低于第二SINC滤波器32的抽取率。具体的，第一SINC滤波器31采用低抽取率的快速型SINC滤波器；第二SINC滤波器32采用中抽取率的稳定型SINC滤波器；

S3：第一SINC滤波器31对第一电流数字信号滤波，获得一第二电流数字信号，第二SINC滤波器32对第一电流数字信号滤波，获得一第三电流数字信号；第一SINC滤波器31和一第二SINC滤波器32的输出分别为三相电流i_a、i_b、i_c和i′_a、i′_b、i′_c。

S4：对第二电流数字信号依次进行Clark变换和Park变换，获得一第一反馈输入信号和一第二反馈输入信号；对第三电流数字信号依次进行Clark变换和Park变换，获得一第三反馈输入信号和一第四反馈输入信号；

其中，根据公式(1)和公式(2)对第二电流数字信号进行Clark变换和Park变换：

其中，i_a、i_b、i_c为第二电流数字信号的三相电流；i_α、i_β为对第二电流数字信号进行Clark变换后获得的二相电流；i_d为第一反馈输入信号，i_q为第二反馈输入信号，且i_d、i_q为对第二电流数字信号进行Park变换后获得的二相电流，θ为电气角度。

根据公式(3)和公式(4)对第三电流数字信号进行Clark变换和Park变换：

其中，i′_a、i′_b、i′_c为第三电流数字信号的三相电流；i′_α、i′_β为对第三电流数字信号进行Clark变换后获得的二相电流；i′_d为第三反馈输入信号，i′_q为第四反馈输入信号，且i′_d、i′_q为对第三电流数字信号进行Park变换后获得的二相电流。

S5：通过一第一PI调节器41处理第一反馈输入信号和第三反馈输入信号，获得一第一调节输出信号；通过一第二PI调节器42处理第二反馈输入信号和第四反馈输入信号，获得一第二调节输出信号；

其中，第一PI调节器41和第二PI调节器42的输出满足公式(5)：

其中，U_out为第一PI调节器41和第二PI调节器42的输出；K_p为调节器比例增益；i_e为第一反馈输入信号或第二反馈输入信号；K_i为调节器积分增益；i′_e为第三反馈输入信号或第四反馈输入信号，t为时间。

将第一反馈输入信号作为第一PI调节器41的P调节部的反馈输入，将第三反馈输入信号作为第一PI调节器41的I调节部的反馈输入；将第二反馈输入信号作为第二PI调节器42的P调节部的反馈输入，将第四反馈输入信号作为第二PI调节器42的I调节部的反馈输入。

这样就实现了P调节部路径和I调节部路径分离，并且采用具有不同动态特性的反馈信号工作。P调节部路径反馈快速低延迟，I调节部路径反馈稳定精度高。

S6：通过一空间矢量脉宽调制器对第一调节输出信号和第二调节输出信号进行空间矢量脉宽调制，获得一脉宽调制控制电流；

S7：将脉宽调制电流作为电机2的输入电流。

本发明实施例的一种伺服系统电流环调节器优化方法，针对PI调节器的P调节部要求快速，对精度要求不高，I调节部对速度要求不高，但要求数据的高精度的特点，对P调节部和I调节部的数据反馈使用不同的SINC滤波器，以解决传统电流环调节中的快速和精度的矛盾问题；在保证了电流环快速响应的同时，能够降低对噪声的敏感性，提高伺服电机的控制精度。

通过∑-Δ型模数转换器1的采用，可以自由选择第一SINC滤波器31和一第二SINC滤波器32的延迟或输出数据精度：在抽取率较高时，延迟较长，但信号质量较高；在抽取率较低时则相反。

本发明实施例的伺服系统电流环控制频响波形图请参阅图5。通过对比图5和图2，可发现使用本发明实施例的伺服系统电流环调节器优化方法的电流环，其电流环频响优于现有技术的电流环，在幅值差不多的情况下，相位有明显改善。这说明本发明实施例的伺服系统电流环调节器优化方法较好解决了传统电流环调节器的快速和精度的矛盾问题，并可有效避免控制过程中出现超调以及震荡，提高了系统动态性能，拓宽了参数的稳定域。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种伺服系统电流环调节器优化方法，包括步骤：

S1：通过一∑–△型模数转换器实时采集一电机的输出电流模拟信号并将所述输出电流模拟信号转换为第一电流数字信号；

S2：通过一第一SINC滤波器和一第二SINC滤波器分别采集所述第一电流数字信号，所述第一SINC滤波器的抽取率低于所述第二SINC滤波器的抽取率；

S3：所述第一SINC滤波器对所述第一电流数字信号滤波，获得一第二电流数字信号，所述第二SINC滤波器对所述第一电流数字信号滤波，获得一第三电流数字信号；

S4：对所述第二电流数字信号依次进行Clark变换和Park变换，获得一第一反馈输入信号i_d和一第二反馈输入信号i_q；对所述第三电流数字信号依次进行Clark变换和Park变换，获得一第三反馈输入信号i′_d和一第四反馈输入信号i′_q；

S5：通过一第一PI调节器处理所述第一反馈输入信号i_d和所述第三反馈输入信号i′_d，将所述第一反馈输入信号i_d作为所述第一PI调节器的P调节部的反馈输入，将所述第三反馈输入信号i′_d作为所述第一PI调节器的I调节部的反馈输入，获得一第一调节输出信号；通过一第二PI调节器处理所述第二反馈输入信号i_q和所述第四反馈输入信号i′_q，将所述第二反馈输入信号i_q作为所述第二PI调节器的P调节部的反馈输入，将所述第四反馈输入信号i′_q作为所述第二PI调节器的I调节部的反馈输入，获得一第二调节输出信号；

S6：通过一空间矢量脉宽调制器对所述第一调节输出信号和所述第二调节输出信号进行空间矢量脉宽调制，获得一脉宽调制控制电流；

S7：将所述脉宽调制电流作为所述电机的输入电流。

2.根据权利要求1所述的伺服系统电流环调节器优化方法，其特征在于，所述S4步骤中，根据公式(1)和公式(2)对所述第二电流数字信号进行Clark变换和Park变换：

其中，i_a、i_b、i_c为所述第二电流数字信号的三相电流；i_α、i_β为对所述第二电流数字信号进行所述Clark变换后获得的二相电流；i_d为所述第一反馈输入信号，i_q为所述第二反馈输入信号，且i_d、i_q为对所述第二电流数字信号进行所述Park变换后获得的二相电流，θ为电气角度。

3.根据权利要求2所述的伺服系统电流环调节器优化方法，其特征在于，所述S4步骤中，根据公式(3)和公式(4)对所述第三电流数字信号进行Clark变换和Park变换：

其中，i′_a、i′_b、i′_c为所述第三电流数字信号的三相电流；i′_α、i′_β为对所述第三电流数字信号进行所述Clark变换后获得的二相电流；i′_d为所述第三反馈输入信号，i′_q为所述第四反馈输入信号，且i′_d、i′_q为对所述第三电流数字信号进行所述Park变换后获得的二相电流。

4.根据权利要求1所述的伺服系统电流环调节器优化方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述第一PI调节器和所述第二PI调节器的输出满足公式(5)：

其中，U_out为所述第一PI调节器和所述第二PI调节器的输出；K_p为调节器比例增益；i_e为所述第一反馈输入信号或所述第二反馈输入信号；K_i为调节器积分增益；i′_e为所述第三反馈输入信号或所述第四反馈输入信号，t为时间。

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