CN111082726B - 一种永磁电机伺服系统的电流控制方法 - Google Patents

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    • H02P21/22—Current control, e.g. using a current control loop

Abstract

本发明公开了一种永磁电机伺服系统的电流控制方法，属于发电、变电或配电的技术领域。该方法通过传感器采样得到k时刻的三相电流并进行Park和Clark变换得到旋转坐标系下的dq轴电流，再通过dq轴电流预测下一时刻dq轴的电流值，将k时刻预测的电流值与k时刻采样得到的电流值进行加权再平均修正得到k时刻修正电流值，通过k时刻的修正电流值进一步预测下一时刻的dq轴电压值，再通过反park变换得到αβ轴的电压值，结合三相逆变器的直流侧电压，通过空间矢量脉宽调制控制开关管导通顺序，进而实现电机的控制，能抑制稳态过程中采样误差对电流控制产生的影响。

Description

一种永磁电机伺服系统的电流控制方法
技术领域
本发明公开了一种永磁电机伺服系统的电流控制方法，涉及伺服系统电机驱动控制领域，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
永磁同步电机(PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor)由于其效率高、体积小、功率密度高等优势在伺服领域有广泛的应用。20世纪70年代初，德国西门子工程师F.Blasschke发明了磁场定向控制(FOC，Field-Oriented Control)，即矢量控制算法后，使得永磁同步电机的控制性能大幅提升，研究人员在此基础上，将FOC与现代控制算法结合，使得交流伺服系统的动态响应、速度跟踪和稳定性都大幅提升。但是随着工业的发展，业界对伺服系统的性能要求越来越高，不断对其控制技术提出新的要求，伺服系统呈现更快、更小、更智能的发展趋势，尤其是数控机床、机器人、航空航天、智能制造等高性能伺服领域对系统的稳定性要求越来越高。
传统伺服系统的电流环采用PI调节器，存在积分饱和、约束不好处理、参数整定困难、采样延迟、采样误差等问题，在高性能伺服中采用PI调节器难以达到所需要的电流控制效果，很难兼顾电流响应的快速性和稳定性。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提供了一种永磁电机伺服系统的电流控制方法，该方法能够在电流稳态过程中抑制采样误差对电流的影响，解决了在伺服系统中采用PI调节器难以兼顾电流响应的快速性和稳定性这一技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下包括步骤A至步骤H的技术方案实现永磁电机伺服系统的电流控制。
A、搭建电机方程：永磁伺服系统的控制对象为永磁同步电机，需要先得到它的电机数学模型和状态方程；建模选用的永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，ud、uq为dq轴电压分量，id、iq为dq轴电流分量，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，选用表贴式永磁同步电机，则Ld＝Lq＝Ls，Rs为定子电阻，ωe为角速度，ψf为永磁体磁链，
永磁同步电机的数学模型为：
Figure GDA0003133737610000021
永磁同步电机状态方程：
Figure GDA0003133737610000022
B、采集转子位置θ和角速度ωe：通过永磁同步电机上的编码器对永磁同步电机的转子位置和角速度信息进行采集。
C、采集电机三相电流ia、ib、ic：通过采样电阻对电机的三相电流进行采集，并通过运算电路进行放大，最后通过Park和Clark变换得到dq域下的电流id、iq，
Figure GDA0003133737610000023
Figure GDA0003133737610000024
D、预测k时刻电流：根据k-1时刻的dq轴电流值
Figure GDA0003133737610000025
和dq轴电压ud(k-1)、uq(k-1)及角速度等信息预测k时刻的电流值idq(k)，其中，Ls为定子电感，Ts为采样周期，Rs为定子电阻，ψf为永磁体磁链，k时刻的电流值预测值idq(k)为：
Figure GDA0003133737610000026
E、修正k时刻的采样电流：将k时刻采样得到的电流
Figure GDA0003133737610000027
与k时刻预测的电流idq(k)进行加权平均再修正，得到k时刻的校正电流
Figure GDA0003133737610000028
Figure GDA0003133737610000029
根据校正电流下的电压方程可以得到此时的离散状态空间模型：
Figure GDA0003133737610000031
其中：
Figure GDA0003133737610000032
令：
Figure GDA0003133737610000033
根据离散时变系统的Lyapunov判据，如果存在一个对称的正定矩阵P，使得：
GTPG-P＝-Q，
其中，Q为单位矩阵，解得：
Figure GDA0003133737610000034
根据电机已知参数和采样周期计算出当前时刻校正电流的加权系数h，h满足：0<h<1的情况下，采样电流修正环节可以使得系统保持稳定。
F、预测k+1时刻电压步骤：根据k时刻的修正电流
Figure GDA0003133737610000035
电流给定值id(k+2) ref、iq(k+2) ref等信息预测k+1时刻的电压ud(k+1)、uq(k+1)，
Figure GDA0003133737610000036
G、αβ域电压坐标变换：将预测得到的dq域下的电压ud(k+1)、uq(k+1)通过反Park变换得到αβ域下的电压uα(k+1)、uβ(k+1)；
Figure GDA0003133737610000041
H、将步骤G得到的αβ域下的电压uα(k+1)、uβ(k+1)结合三相逆变器，通过空间矢量调制策略驱动永磁同步电机。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明公开的永磁电机伺服系统的电流控制方法，加入电流修正环节，可以对电流稳态过程中出现的采样误差进行抑制，由于采样误差具有随机性，当某一时刻电流采样出现误差，通过将此时的采样电流和预测电流进行加权平均再修正，抑制采样误差对电流控制的影响，提升了电流控制的稳定性。
(2)本发明通过直接对控制算法进行修改即可实现，对系统的硬件设计也没有额外要求，即在不增加系统硬件成本的条件下就能提升电流控制的性能。
附图说明
图1是本申请提出的永磁电机伺服系统的电流控制框图。
图2是本申请提出的电流修正环节控制算法框图。
图3是根据本申请提出的电流控制框图所搭建的Matlab仿真模型。
图4是dq轴采样电流和校正电流波形图的对比结果。
图5是有无校正环节下的dq轴预测电流波形图的对比结果。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本申请提出的永磁电机伺服系统的电流控制方法，其框图如图1所示。将电流、角度等采集到的信息通过电流控制器进行计算，得到dq轴电压，再通过坐标变换得到αβ轴电压，通告空间矢量调制驱动功率管的导通关断，进而驱动电机。
具体实施方式如下
搭建电机模型：
Figure GDA0003133737610000042
并对转子位置θ、角速度ωe、三相电流等信息进行采集：并对三相电流进行坐标变换得到dq轴的电流id、iq；
Figure GDA0003133737610000051
Figure GDA0003133737610000052
图2是带有修正环节的电流控制算法的详细框图，图3是根据控制算法框图在matlab中搭建的仿真模型，首先根据电机参数和采集到的k-1时刻信息对k时刻的电流id(k)、iq(k)进行预测，其中，Ls为定子电感，Rs为定子电阻，ψf为永磁体磁链；
Figure GDA0003133737610000053
由于采样误差的存在，将k时刻的采样电流
Figure GDA0003133737610000054
进行处理，通过与k时刻的预测电流idq(k)进行加权平均再修正，得到k时刻的校正电流
Figure GDA0003133737610000055
图3是校正电流和实际采样电流的仿真对比；
Figure GDA0003133737610000056
在此基础上，根据k时刻的修正电流
Figure GDA0003133737610000057
电流给定值id(k+2) ref、iq(k+2) ref等信息计算得到k+1时刻的电压ud(k+1)、uq(k+1)；
Figure GDA0003133737610000058
再将预测得到的dq域下的电压ud(k+1)、uq(k+1)通过反Park变换得到αβ域下的电压uα(k+1)、uβ(k+1)；
Figure GDA0003133737610000059
最后将αβ域下的电压uα(k+1)、uβ(k+1)结合三相逆变器，通过空间矢量调制策略控制功率管的开通与关断，进而驱动永磁同步电机。
电机参数如表1，按照上述方法，得到有校正环节的k时刻q轴电流的预测值和无校正环节的q轴电流预测值的对比图，如图4所示；可以发现加入误差校正环节后与未加入误差校正环节的无差拍控制比较，预测电流受到误差影响后，电流的震荡幅值变小，震荡时间变短，误差校正环节对采样误差有明显的抑制作用。
表1电机仿真参数
参数 数值
额定电压U<sub>N</sub>/V 24
额定功率P<sub>N</sub>/W 50
额定转速n<sub>N</sub>/rpm 5240
额定转矩/mNm 83.4
相电阻/Ω 1.03
相电感/mH 0.572
转矩常数/mNmA<sup>-1</sup> 33.5
转速常数/rpmV<sup>-1</sup> 8.77
机械时间常数/ms 12.4
转子惯量/gcm<sup>2</sup> 135

Claims (2)

1.一种永磁电机伺服系统的电流控制方法，其特征在于，采集永磁同步电机的转子位置、角速度、三相电流，根据前一时刻的dq轴电流及dq轴电压预测当前时刻的dq轴电流，对当前时刻的dq轴电流采样值和预测值进行加权修正得到当前时刻dq轴电流的修正值，对当前时刻dq轴电流的修正值进行无差拍控制得到下一时刻的dq轴电压，将下一时刻dq轴电压反PARK变换得到αβ域下后进行空间矢量调制更新永磁同步电机的驱动信号，其中，根据校正电流作用于电机时的离散状态空间模型的Lyapunov判据确定加权修正的系数；
所述对当前时刻的dq轴电流采样值和预测值进行加权修正得到当前时刻dq轴电流的修正值的表达式为：
Figure FDA0003133737600000011
其中，
Figure FDA0003133737600000012
为当前时刻的dq轴电流修正值，id(k)、iq(k)为当前时刻的dq轴电流预测值，
Figure FDA0003133737600000013
为当前时刻的dq轴电流采样值，h为加权系数，0＜h＜1；
根据校正电流作用于电机时的离散状态空间模型的Lyapunov判据确定加权系数的方法为：根据构建满足Lyapunov判据GTPG-P＝-Q的正定矩阵P，将电机参数带入正定矩阵后确定加权系数的取值，
Figure FDA0003133737600000014
Q为单位矩阵，Ls为定子电感，Ts为采样周期，Rs为定子电阻，ωe为角速度，h为加权系数。
2.根据权利要求1所述一种永磁电机伺服系统的电流控制方法，其特征在于，对当前时刻dq轴电流的修正值进行无差拍控制得到下一时刻的dq轴电压的表达式为：
Figure FDA0003133737600000015
，
其中，ud(k+1)、uq(k+1)为下一时刻的dq轴电压，
Figure FDA0003133737600000016
为当前时刻的dq轴电流修正值，id(k+2) ref、iq(k+2) ref为dq轴电流的给定值，Ls为定子电感，Ts为采样周期，Rs为定子电阻，ωe为角速度，ψf为永磁体磁链。
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