CN111404439A - 磁悬浮平面电机的电流控制方法和系统 - Google Patents

磁悬浮平面电机的电流控制方法和系统 Download PDF

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CN111404439A CN202010254349.3A CN202010254349A CN111404439A CN 111404439 A CN111404439 A CN 111404439A CN 202010254349 A CN202010254349 A CN 202010254349A CN 111404439 A CN111404439 A CN 111404439A
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Abstract

本发明实施例公开了一种磁悬浮平面电机的电流控制方法和系统。该电流控制方法包括：建立磁悬浮平面电机的电流环模型，并采集电流环输入和电流环输出；根据所述电流环输入和所述电流环输出，辨识所述电流环模型的电感参数；根据所述电感参数，求解所述磁悬浮平面电机的控制器的最优参数。与现有技术相比，本发明实施例提升了电流环模型的精度，实现了磁悬浮平面电机的高精度运动。

Description

磁悬浮平面电机的电流控制方法和系统
技术领域
本发明实施例涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种磁悬浮平面电机的电流控制方法和系统。
背景技术
磁悬浮平面电机是一种新型的二维平面直驱装置，具有结构简单、成本低、热耗低、可靠性高等优点，在微纳超精密制造领域极具应用前景。磁悬浮平面电机高精度运行是目前各研究机构与产业界所关注的重点，精确的电流直接影响磁悬浮平面电机的高精度运行，因此，如何实现电流的高精确控制是磁悬浮平面电机高精度运行急需解决的关键技术问题。
在现有技术中，磁悬浮平面电机的电流控制方法一般将电流环等效为一阶模型，进而设计控制器实现电流控制。但由于噪声、时延、电感变化等影响，这种方法较难实现电流的高精度控制。具体地，现有的磁悬浮平面电机线圈电流高精度控制急需解决的技术问题包括：
(1)将电流环等效为一阶模型的方法计算简便、实现简单，但未考虑输出噪声、实际系统延时所带来的负面影响，导致仿真模型与实际模型相差较大，进而较难求得实际系统的最优控制参数；
(2)由于电感受电流等因素影响，因此电流环模型实质上是一个时变模型，现有的固定参数的控制器难以实现电流的高精度控制。
综上所述，现有的磁悬浮平面电机的电流控制方法存在电流环模型精度低的问题，从而导致了磁悬浮平面电机的运动控制精度低。
发明内容
本发明实施例提供一种磁悬浮平面电机的电流控制方法和系统，以提升电流环模型的精度，实现磁悬浮平面电机的高精度运动。
第一方面，本发明实施例提供了一种磁悬浮平面电机的电流控制方法，该电流控制方法包括：
建立磁悬浮平面电机的电流环模型，并采集电流环输入和电流环输出；
根据所述电流环输入和所述电流环输出，辨识所述电流环模型的电感参数；
根据所述电感参数，求解所述磁悬浮平面电机的控制器的最优参数。
可选地，辨识所述电流环模型的电感参数采用最小二乘法。
可选地，辨识所述电流环模型的电感参数，包括：
根据所述电流环输入和所述电流环输出，得到s域电流环传递函数；
对所述s域电流环传递函数进行离散化，得到z域电流环传递函数；
将所述z域电流环传递函数转化为差分方程；其中，所述差分方程包括待辨识参数；
采用最小二乘法辨识所述差分方程中的待辨识参数；
根据所述待辨识参数，得到所述电流环模型的电感参数。
可选地，所述s域电流环传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000021
其中，iin为电流环输入，iout为电流环输出，ac＝R/L，bc＝(U/L)，U为电压，R为电阻，L为电感；
所述z域电流环传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000031
其中，ad和bd为待辨识参数，ad＝-e-(R/L)T，bd＝(U/L)，T为采样时间；
所述差分方程表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000032
其中，y(k)＝iout(k)，
Figure BDA0002436703240000033
k为当前采样时刻；
采用最小二乘法表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000034
其中，K为增益矩阵，P为协方差阵，α为遗忘因子；
电感参数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000035
可选地，所述电流环模型还包括滤波器；
所述滤波器的传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000036
其中，Tfliter为滤波器截止频率的倒数。
可选地，所述控制器的传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000041
其中，TControl为控制周期，Kp为比例控制参数，Ki为积分控制参数；
或者，所述控制器的传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000042
其中，Kp为比例控制参数，Ki为积分控制参数。
可选地，所述最优参数包括比例控制参数和积分控制参数。
可选地，所述电流环的传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000043
其中，U为电压，R为电阻，L为电感。
可选地，所述电流环模型还包括驱动器；
所述驱动器的传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000044
其中，Dmax为占空比为1时对应的控制量，TPWM为PWM周期；
或者，所述驱动器的传递函数表示为如下公式：
GPWM(s)＝Dmax
其中，Dmax为占空比为1时对应的控制量。
可选地，所述电流环模型的系统阻尼比为0.707；
根据所述电流环的传递函数、所述驱动器的传递函数和所述滤波器的传递函数，得到所述比例控制参数和所述积分控制参数分别表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000051
Figure BDA0002436703240000052
第二方面，本发明实施例还提供了一种磁悬浮平面电机的电流控制系统，该电流控制系统包括：
采集模块，用于采集电流环输入和电流环输出；
电感辨识模块，用于根据所述电流环输入和所述电流环输出，辨识所述电流环模型的电感参数；
最优参数求解模块，用于根据所述电感参数，求解所述磁悬浮平面电机的控制器的最优参数。
本发明实施例提供了一种解算电流最优控制参数的方法，该电流控制方法考虑噪声和实际系统时延等问题带来的电感参数变化，根据辨识得到的电感参数以及闭环系统期望的性能指标，解算出每个采样时刻的控制器最优参数，即实现了控制器最优参数的在线实时调整，从而有利于提高电流控制性能，提高电流控制的鲁棒性和精度，有利于实现磁悬浮平面电机的高精度运动。以及本发明实施例易于实现，适用范围广。另外，对于仿真系统，采用本发明实施例建立的仿真模型接近实际模型，有利于将仿真调整得到的最优参数直接应用于实际控制系统。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的磁悬浮平面电机的电流控制方法的流程图；
图2为本发明实施例一提供的电流环模型的结构框图；
图3为本发明实施例二提供的一种磁悬浮平面电机的电流控制方法的流程示意图；
图4为本发明实施例三提供的电流环模型的结构框图；
图5为本发明实施例四提供的磁悬浮平面电机的电流控制系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的磁悬浮平面电机的电流控制方法的流程图，本实施例可适用于对磁悬浮平面电机的高精度控制，该方法可以由磁悬浮平面电机的电流控制系统来执行。该系统可以采用软件和/或硬件的方式实现，例如，该系统可以为仿真系统；或者，该系统可以配置于具有磁悬浮平面电机的设备中，该设备通常为精密、超精密制造装备等。
参见图1，该磁悬浮平面电机的电流控制方法具体包括如下步骤：
S110、建立磁悬浮平面电机的电流环模型。
其中，电流环模型例如可以是电流闭环系统模型。图2为本发明实施例一提供的电流环模型的结构框图。参见图2，示例性地，该系统包括控制器10、驱动器20、电流环30和电感辨识模块40。该电流环模型在输入端输入期望电流，经过控制器10、驱动器20、电流环30和电感辨识模块40控制和变换，使输出端的输出电流与期望电流的差值尽量小。
可选地，控制器10、驱动器20和电流环30的传递函数表示如下：
若考虑实际系统延时，延时部分采用一阶惯性环节表示，控制器10的传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000071
式中，TControl为控制周期，Kp为比例控制参数，Ki为积分控制参数。
若不考虑系统延时，控制器10的传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000072
式中，Kp为比例控制参数，Ki为积分控制参数。
电流环30的传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000073
式中，U为电压，R为电阻，L为电感。
驱动器20输出为PWM信号，若考虑实际系统延时，延时部分采用一阶惯性环节表示，驱动器20的传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000074
式中，Dmax为占空比为1时对应的控制量，TPWM为PWM周期；
驱动器20输出为PWM信号，若不考虑系统延时，驱动器20的传递函数表示为如下公式：
GPWM(s)＝Dmax
式中，Dmax为占空比为1时对应的控制量。
该电流环模型与实际系统接近，有利于实现电流的高精度控制。
S120、采集电流环输入和电流环输出。
其中，电流环输入指的是电流环30的输入电流，电流环输出指的是电流环30的输出电流。针对仿真系统，电感辨识模块40与电流环30的输入端连接可以采集电流环输入，电感辨识模块40与电流环30的输出端连接可以采集电流环输出。针对精密、超精密制造装备，可以采用电流传感器来采集电流环输入和电流环输出。
S130、根据电流环输入和电流环输出，辨识电流环模型的电感参数。
其中，电感参数受电流等因素的影响，因此电感参数是时变的，根据电流环输入和电流环输出，可以通过辨识得到实时的电感参数。
S140、根据电感参数，求解磁悬浮平面电机的控制器的最优参数。
其中，电感参数是实时变化的，根据电感参数的变化实时改变控制器10的控制参数，得到的控制参数为当前时刻控制器10的最优参数。这样，该磁悬浮平面电机的电流环模型实质上是一个时变的模型，控制器10为时变的控制器，有利于获得更优的控制性能，从而实现电流的高精度控制。可选地，最优参数包括比例控制参数和积分控制参数。
S150、采样时刻加1。
S160、判断是否到达结束运行时间，若是，则结束运行；否则，重复执行S120～S160的步骤。
本发明实施例提供了一种解算电流最优控制参数的方法，该电流控制方法考虑噪声和实际系统时延等问题带来的电感参数变化，根据辨识得到的电感参数以及闭环系统期望的性能指标，解算出每个采样时刻的控制器最优参数，即实现了控制器最优参数的在线实时调整，从而有利于提高电流控制性能，提高电流控制的鲁棒性和精度，有利于实现磁悬浮平面电机的高精度运动。以及本发明实施例易于实现，适用范围广。另外，对于仿真系统，采用本发明实施例建立的仿真模型接近实际模型，有利于将仿真调整得到的最优参数直接应用于实际控制系统。
实施例二
图3为本发明实施例二提供的一种磁悬浮平面电机的电流控制方法的流程示意图。参见图3，在实施例一的基础上，实施例二对实施例一中辨识电流环模型的电感参数的方法进行了细化。可选地，辨识电感参数采用最小二乘法，有利于快速辨识电感参数。该电流控制方法具体包括以下步骤：
S210、建立磁悬浮平面电机的电流环模型。
S220、采集电流环输入和电流环输出。
S230、根据电流环输入和电流环输出，得到s域电流环传递函数。
其中，s域电流环传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000091
式中，iin为电流环输入，iout为电流环输出，ac＝R/L，bc＝(U/L)，U为电压，R为电阻，L为电感；
S240、对s域电流环传递函数进行离散化，得到z域电流环传递函数。
其中，z域电流环传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000092
式中，ad和bd为待辨识参数，ad＝-e-(R/L)T，bd＝(U/L)，T为采样时间；
S250、将z域电流环传递函数转化为差分方程；式中，差分方程包括待辨识参数ad和bd；
式中，差分方程表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000101
式中，y(k)＝iout(k)，
Figure BDA0002436703240000102
k为当前采样时刻；
S260、采用最小二乘法辨识差分方程中的待辨识参数ad和bd。
式中，采用最小二乘法表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000103
式中，K为增益矩阵，P为协方差阵，α为遗忘因子。
S270、根据待辨识参数，得到电流环模型的电感参数。
式中，电感参数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000104
S280、根据电感参数，求解磁悬浮平面电机的控制器的最优参数。
可选地，最优参数包括比例控制参数和积分控制参数。
S290、采样时刻加1。
S2A0、判断是否到达结束运行时间，若是，则结束运行；否则，重复执行S220～S290的步骤。
本发明实施例提供了一种解算电流最优控制参数的方法，该电流控制方法考虑噪声和实际系统时延等问题带来的电感参数变化，采用最小二乘法辨识得到的电感参数以及闭环系统期望的性能指标，解算出每个采样时刻的控制器最优参数，即实现了控制器最优参数的在线实时调整，从而有利于提高电流环性能，提高电流控制的鲁棒性和精度，有利于实现磁悬浮平面电机的高精度运动。以及本发明实施例易于实现，适用范围广。另外，对于仿真系统，采用本发明实施例建立的仿真模型接近实际模型，有利于将仿真调整得到的最优参数直接应用于实际控制系统。
实施例三
图4为本发明实施例三提供的电流环模型的结构框图。参见图4，在上述各实施例的基础上，电流环模型还包括滤波器50，该滤波器例如可以是RC滤波器。采用滤波器50可以减小电流环30的噪声，因此，在电流环30的输出端(即电流反馈端)加入滤波器50可以提高电流控制精度。示例性地，滤波器50的传递函数表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000111
式中，Tfliter为滤波器截止频率的倒数。
可选地，以电流环模型的系统阻尼比为0.707为例，根据电流环30的传递函数、驱动器20的传递函数和滤波器50的传递函数，得到比例控制参数和积分控制参数分别表示为如下公式：
Figure BDA0002436703240000112
Figure BDA0002436703240000113
本发明实施例提供了一种解算电流最优控制参数的方法，该电流控制方法考虑噪声和实际系统时延等问题带来的电感参数变化，根据辨识得到的电感参数以及闭环系统期望的性能指标，解算出每个采样时刻的控制器最优参数，即实现了控制器最优参数的在线实时调整，从而有利于提高电流控制性能，提高电流控制的鲁棒性和精度，有利于实现磁悬浮平面电机的高精度运动。以及本发明实施例易于实现，适用范围广。另外，对于仿真系统，采用本发明实施例建立的仿真模型接近实际模型，有利于将仿真调整得到的最优参数直接应用于实际控制系统。
实施例四
图5为本发明实施例四提供的磁悬浮平面电机的电流控制系统的结构框图。该磁悬浮平面电机的电流控制系统可以采用软件和/或硬件的方式实现，例如，该系统可以为仿真系统；或者，该系统可以配置于具有磁悬浮平面电机的设备中，该设备通常为精密、超精密制造装备等。
参见图5，该磁悬浮平面电机的电流控制系统包括：采集模块60、电感辨识模块40和最优参数求解模块70。采集模块60用于采集电流环输入和电流环输出；电感辨识模块40用于根据电流环输入和电流环输出，辨识电流环模型的电感参数；最优参数求解模块70用于根据电感参数，求解磁悬浮平面电机的控制器的最优参数。
其中，针对仿真系统，电感辨识模块40与电流环的输入端连接可以采集电流环输入，电感辨识模块40与电流环的输出端连接可以采集电流环输出。最优参数求解模块70可以集成于控制器中，也可以与控制器独立设置。针对精密、超精密制造装备，采集模块60例如可以是电流传感器。电感辨识模块40和最优参数求解模块70例如可以集成在DSP或单片机等控制芯片中。
该电流控制系统可执行本发明任意实施例所提供的电流控制方法，具备执行电流控制方法相应的功能模块和有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种磁悬浮平面电机的电流控制方法，其特征在于，包括：
建立磁悬浮平面电机的电流环模型，并采集电流环输入和电流环输出；
根据所述电流环输入和所述电流环输出，辨识所述电流环模型的电感参数；
根据所述电感参数，求解所述磁悬浮平面电机的控制器的最优参数。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮平面电机的电流控制方法，其特征在于，辨识所述电流环模型的电感参数采用最小二乘法。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮平面电机的电流控制方法，其特征在于，辨识所述电流环模型的电感参数，包括：
根据所述电流环输入和所述电流环输出，得到s域电流环传递函数；
对所述s域电流环传递函数进行离散化，得到z域电流环传递函数；
将所述z域电流环传递函数转化为差分方程；其中，所述差分方程包括待辨识参数；
采用最小二乘法辨识所述差分方程中的待辨识参数；
根据所述待辨识参数，得到所述电流环模型的电感参数。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮平面电机的电流控制方法，其特征在于，所述s域电流环传递函数表示为如下公式：
Figure FDA0002436703230000011
其中，iin为电流环输入，iout为电流环输出，ac＝R/L，bc＝(U/L)，U为电压，R为电阻，L为电感；
所述z域电流环传递函数表示为如下公式：
Figure FDA0002436703230000012
其中，ad和bd为待辨识参数，ad＝-e-(R/L)T，bd＝(U/L)，T为采样时间；
所述差分方程表示为如下公式：
Figure FDA0002436703230000021
其中，y(k)＝iout(k)，
Figure FDA0002436703230000022
k为当前采样时刻；
采用最小二乘法表示为如下公式：
Figure FDA0002436703230000023
其中，K为增益矩阵，P为协方差阵，α为遗忘因子；
电感参数表示为如下公式：
Figure FDA0002436703230000024
5.根据权利要求1所述的磁悬浮平面电机的电流控制方法，其特征在于，所述电流环模型还包括滤波器；
所述滤波器的传递函数表示为如下公式：
Figure FDA0002436703230000025
其中，Tfliter为滤波器截止频率的倒数。
6.根据权利要求5所述的磁悬浮平面电机的电流控制方法，其特征在于，所述控制器的传递函数表示为如下公式：
Figure FDA0002436703230000026
其中，TControl为控制周期，Kp为比例控制参数，Ki为积分控制参数；
或者，所述控制器的传递函数表示为如下公式：
Figure FDA0002436703230000031
其中，Kp为比例控制参数，Ki为积分控制参数。
7.根据权利要求6所述的磁悬浮平面电机的电流控制方法，其特征在于，所述最优参数包括比例控制参数和积分控制参数。
8.根据权利要求6所述的磁悬浮平面电机的电流控制方法，其特征在于，所述电流环的传递函数表示为如下公式：
Figure FDA0002436703230000032
其中，U为电压，R为电阻，L为电感。
9.根据权利要求8所述的磁悬浮平面电机的电流控制方法，其特征在于，所述电流环模型还包括驱动器；
所述驱动器的传递函数表示为如下公式：
Figure FDA0002436703230000033
其中，Dmax为占空比为1时对应的控制量，TPWM为PWM周期；
或者，所述驱动器的传递函数表示为如下公式：
GPWM(s)＝Dmax
其中，Dmax为占空比为1时对应的控制量。
10.根据权利要求9所述的磁悬浮平面电机的电流控制方法，其特征在于，所述电流环模型的系统阻尼比为0.707；
根据所述电流环的传递函数、所述驱动器的传递函数和所述滤波器的传递函数，得到所述比例控制参数和所述积分控制参数分别表示为如下公式：
Figure FDA0002436703230000041
Figure FDA0002436703230000042
11.一种磁悬浮平面电机的电流控制系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集电流环输入和电流环输出；
电感辨识模块，用于根据所述电流环输入和所述电流环输出，辨识电流环模型的电感参数；
最优参数求解模块，用于根据所述电感参数，求解所述磁悬浮平面电机的控制器的最优参数。
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