CN113467229A - 一种交流伺服驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流伺服驱动方法，包括位置环、速度环、电流环，每个环路由反馈控制器和前馈控制器组成，反馈控制器为比例调节器或比例积分调节器，前馈控制器为基于控制对象的数学模型。数字交流伺服系统是高端数控加工设备和机器人控制系统的核心功能部件，为提升交流伺服驱动器的性能，本发明提出一种以单片机为控制核心的设计方法，可灵活地应用于相关的数字交流伺服系统，提高数控机床的加工精度和伺服驱动器的动态特性，具有广泛的应用前景和实用价值。

Description

一种交流伺服驱动方法
技术领域
本发明涉及数字交流伺服系统，尤其涉及一种交流伺服驱动方法。
背景技术
数字交流伺服系统是高端数控加工设备和机器人控制系统的核心功能部件。提升国产伺服驱动器的性价比也应是厂商追求的重要目标。由于早期的单片机(MCU)或数字信号处理器(DSP)性能不足等原因，国产伺服驱动器的控制电路多采用CPLD+DSP的架构，该架构的缺点是电路复杂，成本偏高。意法半导体(ST)基于ARM Cortex-M4内核的STM32F4系列单片机自带浮点运算单元和自适应实时加速器，工作频率高达168MHz，更有数字信号处理指令集来提高芯片的运算水平，这些优异的性能，有利于伺服驱动器中矢量控制、比例积分(PI)、前馈补偿等复杂数学算法的实现，同时STM32F系列单片机拥有丰富的外设资源和专业级的电机控制接口，完全可以脱离CPLD芯片，单独作为伺服驱动器的核心控制单元，实现单核的控制电路架构。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种交流伺服驱动方法，有效地提高伺服驱动器的动态特性，从而提高数控机床的加工精度。
技术方案：一种交流伺服驱动方法，包括位置环、速度环、电流环，每个环路由反馈控制器和前馈控制器组成，反馈控制器为比例调节器或比例积分调节器，前馈控制器为基于控制对象的数学模型。
进一步地，位置环中采用比例反馈调节，适应增量编码器和上位机控制器，采用增量调节模式，表达式如下：
Figure BDA0003160342740000011
其中，
Figure BDA0003160342740000012
表示指令位置增量，ΔPP实际位置增量，kPp表示位置环的比例增益，EP表示位置环的跟踪误差，
Figure BDA0003160342740000013
表示比例反馈调节输出的指令速度；
位置环中的前馈因其输出的是指令速度的一部分，也称之为速度前馈，该前馈的输入是ΔP*，数学表达式如下：
Figure BDA0003160342740000014
其中，fPff表示位置环的前馈函数，fPff表示位置环的前馈系数，用百分数表示，
Figure BDA0003160342740000021
表示位置环的前馈输出；
位置环最终的输出表达式为：
Figure BDA0003160342740000022
其中，ω*表示位置环最终输出的指令速度。
进一步地，速度环的反馈控制为比例积分调节，表达式如下：
Eω＝ω*-ω (4)
Figure BDA0003160342740000023
其中，Eω表示当前周期的速度环跟踪误差，Eω(k)表示第k个周期的速度环跟踪误差，N表示当前周期数，kωp、kωi表示速度环的比例、积分调节系数，
Figure BDA0003160342740000024
表示反馈调节输出的指令q轴电流；
速度环的前馈调节表达式如下：
Figure BDA0003160342740000025
其中，
Figure BDA0003160342740000026
表示静态前馈输出的指令q轴电流，
Figure BDA0003160342740000027
表示动态前馈输出的指令q轴电流，kωfs表示速度环静态前馈系数，百分数分子表示，kωfd表示速度环动态前馈系数，用百分数表示，在前馈获取准确条件下，kωfs和kωfd取100％，
Figure BDA0003160342740000028
表示前馈输出总的指令q轴电流；
速度环最终的输出表达式为：
Figure BDA0003160342740000029
其中，
Figure BDA00031603427400000210
表示指令q轴电流。
进一步地，电流环中有d轴和q轴两个通道，两个通道的实际电流由实际相电流经CLARK和PARK变换而来，变换的数学表达式如下：
Figure BDA00031603427400000211
其中，iu、iv表示U、V相实际电流，θe表示电机电角度，id、iq表示d、q轴实际电流；
d、q轴的反馈控制为比例积分调节，表达式如下：
Figure BDA00031603427400000212
Figure BDA00031603427400000213
Figure BDA00031603427400000214
Figure BDA00031603427400000215
其中，
Figure BDA00031603427400000216
表示d、q轴指令电流，在控制对象为隐极正弦波永磁同步电机时，
Figure BDA0003160342740000031
EId、EIq表示d、q轴电流跟踪误差，kIdp、kIqp表示d、q轴比例调节系数，kIdi、kIqi表示d、q轴积分调节系数，
Figure BDA0003160342740000032
表示d、q轴反馈调节输出。
进一步地，当控制对象为隐极正弦波三相永磁同步电机时，d轴实际的电压、电流的趋于稳态，q轴的电压、电流随负载变化，为加强电流的响应能力，在q轴上加入前馈控制，表达式如下：
Figure BDA0003160342740000033
其中，fIqff表示电流环q轴的前馈函数，主要由电机在q轴上的伏安特性决定，
Figure BDA0003160342740000034
表示电流环q轴的前馈电压；
正弦波三相永磁同步电机的d、q轴存在相互干涉的旋转电动势，通过解耦控制消除，表达式如下：
Figure BDA0003160342740000035
Figure BDA0003160342740000036
其中，Ld、Lq表示电机定子绕组在d、q轴上的等效电感，ψf表示电机永磁体在dq坐标系下的等效磁链，
Figure BDA0003160342740000037
表示d、q轴轴的解耦电压；
经过反馈调节、前馈补偿和解耦计算，d、q轴总的指令电压
Figure BDA0003160342740000038
为
Figure BDA0003160342740000039
Figure BDA00031603427400000310
因SVPWM基于αβ坐标系，将
Figure BDA00031603427400000311
经逆PARK变换转换至αβ坐标系的指令电压
Figure BDA00031603427400000312
转换方程如下：
Figure BDA00031603427400000313
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：
1)为基于单片机为核心的交流伺服电机控制提供了数学模型；
2)消除了正弦波三相永磁同步电机相互干涉的旋转电动势；
3)通过前馈控制器和反馈控制器，提高伺服电机控制的平稳性及精度，实现平稳和准确的目标跟踪，对负载和参数差异具有较好的鲁棒性，可灵活地应用于相关的数控加工设备和机器人控制系统。
附图说明
图1为本发明的伺服控制电路的硬件组成示意图；
图2为本发明的STM32F4代码中伺服核心算法的架构，图2中涉及变量符号均为当前周期的变量。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
在硬件架构基础上，如图1所示。要实现位置指令脉冲、增量编码器脉冲、电机相电流处理。在图2为STM32F4中软件代码核心部分架构，包括虚线框所示的位置环、速度环、电流环三大部分，每个环路由反馈控制器和前馈控制器共同组成，电流环中需要dq轴解耦控制和坐标系统的转换运算，反馈控制器由比例调节器或比例积分调节器构成，前馈控制器则基于控制对象的数学模型，这些数学模型来自于理论推导或实验数据。图2中涉及变量符号均为当前周期的变量。
运动伺服的三环控制系统，从内到外依次是电流环、速度环、位置环：
电流环指的是电流反馈系统。电流环的输入是速度环PID调节后的输出，称为“电流环给定”，然后电流环的给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相霍尔元件(磁场感应变为电流电压信号)反馈给电流环的。
速度环指的是速度反馈系统。速度环的输入是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节(主要是比例增益和积分处理)后输出就是上述“电流环给定”。速度环的反馈来自于编码器反馈后的值经过“速度运算器”得到。
位置环指的是位置反馈系统的输入就是外部的脉冲，外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节(比例增益调节，无积分微分环节)后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上述速度环的给定。位置环的反馈来自于编码器。
本申请从位置环、速度环和电流环来阐述交流伺服控制算法：
位置环：在位置控制系统中，通常都不希望位置的阶跃响应产生超调，因此，位置控制大多都采用比例反馈调节，为适应增量编码器和上位机控制器，采用增量调节模式，数学表达式如下：
Figure BDA0003160342740000041
其中，
Figure BDA0003160342740000042
表示指令位置增量、ΔPP实际位置增量，kPp表示位置环的比例增益，EP表示位置环的跟踪误差，
Figure BDA0003160342740000043
表示比例反馈调节输出的指令速度。
位置环中的前馈因其输出的是指令速度的一部分，也称之为速度前馈，该前馈的输入是ΔP*，数学表达式如下：
Figure BDA0003160342740000051
其中，fPff表示位置环的前馈函数，fPff表示位置环的前馈系数，用百分数表示，在处理得当的情况下，kPff取100％，
Figure BDA0003160342740000052
表示位置环的前馈输出。
位置环最终的输出可表示为
Figure BDA0003160342740000053
其中，ω*表示位置环最终输出的指令速度。
速度环：为兼顾动态误差和稳态跟踪误差，速度环的反馈控制为比例积分调节，用数学方程表示如下：
Eω＝ω*-ω (4)
Figure BDA0003160342740000054
其中，Eω表示当前周期的速度环跟踪误差，Eω(k)表示第k个周期的速度环跟踪误差，N表示当前周期数，kωp、kωi表示速度环的比例、积分调节系数，
Figure BDA0003160342740000055
表示反馈调节输出的指令q轴电流。
速度环的前馈调节主要来自于伺服应用场合的动力学特性，包括静态特性和动态特性，分别主要由摩擦特性组成和加速度特性组成，这些特性需要在数学模型的约束下，用实验的方法获取，用数学方程表示如下：
Figure BDA0003160342740000056
其中，
Figure BDA0003160342740000057
表示静态前馈输出的指令q轴电流，
Figure BDA0003160342740000058
表示动态前馈输出的指令q轴电流，kωfs表示速度环静态前馈系数，百分数分子表示，kωfd表示速度环动态前馈系数，用百分数表示，在前馈获取准确条件下，kωfs和kωfd取100％，
Figure BDA0003160342740000059
表示前馈输出总的指令q轴电流。
速度环最终的输出由两部分合成，可表示为
Figure BDA00031603427400000510
其中，
Figure BDA00031603427400000511
表示指令q轴电流。
电流环：电流环中有d轴和q轴两个通道，两个通道的实际电流由实际相电流经CLARK和PARK变换而来，变换的数学表达式如下：
Figure BDA00031603427400000512
其中，iu、iv表示U、V相实际电流，θe表示电机电角度，id、iq表示d、q轴实际电流。
d、q轴的反馈控制的为比例积分调节，数学表达式如下：
Figure BDA0003160342740000061
Figure BDA0003160342740000062
Figure BDA0003160342740000063
Figure BDA0003160342740000064
其中，
Figure BDA0003160342740000065
表示d、q轴指令电流，在控制对象为隐极正弦波永磁同步电机时，
Figure BDA0003160342740000066
EId、EIq表示d、q轴电流跟踪误差，kIdp、kIqp表示d、q轴比例调节系数，kIdi、kIqi表示d、q轴积分调节系数，
Figure BDA0003160342740000067
表示d、q轴反馈调节输出。
当控制对象为隐极正弦波三相永磁同步电机时，d轴实际的电压、电流的趋于稳态，不需要加前馈补偿，q轴的电压、电流随负载而变化，为加强电流的响应能力，需要在q轴上加入前馈控制，其数学表达式如下：
Figure BDA0003160342740000068
其中，fIqff表示电流环q轴的前馈函数，主要由电机在q轴上的伏安特性决定，可由实验获取，
Figure BDA0003160342740000069
表示电流环q轴的前馈电压。
正弦波三相永磁同步电机的d、q轴存在相互干涉的旋转电动势，该电动势对id、iq的控制产生不利影响，需要通过解耦控制消除，数学表达式如下：
Figure BDA00031603427400000610
Figure BDA00031603427400000611
其中，Ld、Lq表示电机定子绕组在d、q轴上的等效电感，ψf表示电机永磁体在dq坐标系下的等效磁链，
Figure BDA00031603427400000612
表示d、q轴轴的解耦电压。
经过反馈调节、前馈补偿和解耦计算，d、q轴总的指令电压
Figure BDA00031603427400000613
为
Figure BDA00031603427400000614
Figure BDA00031603427400000615
因SVPWM(空间矢量脉宽调制)基于αβ坐标系，需将
Figure BDA00031603427400000616
经逆PARK变换转换至αβ坐标系的指令电压
Figure BDA00031603427400000617
转换方程如下：
Figure BDA00031603427400000618
STM32F的定时器TIM8具有电机控制专用的6路PWM波输出，结合软件代码实现SVPWM功能。
本发明的具体实施方式中，未涉及到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。

Claims (5)

1.一种交流伺服驱动方法，其特征在于，包括位置环、速度环、电流环，每个环路由反馈控制器和前馈控制器组成，所述反馈控制器用于检测伺服对象的实时状态，将目标值与真实值比较分析；反馈控制器为比例调节器或比例积分调节器，所述前馈控制器为基于控制对象的数学模型。
2.根据权利要求1所述的交流伺服驱动方法，其特征在于，所述位置环中采用比例反馈调节，适应增量编码器和上位机控制器，采用增量调节模式，表达式如下：
Figure FDA0003160342730000011
其中，
Figure FDA0003160342730000012
表示指令位置增量，ΔPP实际位置增量，kPp表示位置环的比例增益，EP表示位置环的跟踪误差，
Figure FDA0003160342730000013
表示比例反馈调节输出的指令速度；
位置环中的前馈输出表达式如下：
Figure FDA0003160342730000014
其中，fPff表示位置环的前馈函数，kPff表示位置环的前馈系数，用百分数表示，
Figure FDA0003160342730000015
表示位置环的前馈输出；
位置环最终的输出表达式为：
Figure FDA0003160342730000016
其中，ω*表示位置环最终输出的指令速度。
3.根据权利要求1所述的交流伺服驱动方法，其特征在于，所述速度环的反馈控制为比例积分调节，表达式如下：
Eω＝ω*-ω (4)
Figure FDA0003160342730000017
其中，Eω表示当前周期的速度环跟踪误差，Eω(k)表示第k个周期的速度环跟踪误差，N表示当前周期数，kωp、kωi表示速度环的比例、积分调节系数，
Figure FDA0003160342730000018
表示反馈调节输出的指令q轴电流；
速度环的前馈调节表达式如下：
Figure FDA0003160342730000019
其中，
Figure FDA00031603427300000110
表示静态前馈输出的指令q轴电流，
Figure FDA00031603427300000111
表示动态前馈输出的指令q轴电流，kωfs表示速度环静态前馈系数，百分数分子表示，kωfd表示速度环动态前馈系数，用百分数表示，在前馈获取准确条件下，kωfs和kωfd取100％，
Figure FDA00031603427300000112
表示前馈输出总的指令q轴电流；
速度环最终的输出表达式为：
Figure FDA00031603427300000113
其中，
Figure FDA0003160342730000021
表示指令q轴电流。
4.根据权利要求1所述的交流伺服驱动方法，其特征在于，所述电流环中有d轴和q轴两个通道，两个通道的实际电流由实际相电流经CLARK和PARK变换而来，变换的数学表达式如下：
Figure FDA0003160342730000022
其中，iu、iv表示U、V相实际电流，θe表示电机电角度，id、iq表示d、q轴实际电流；
d、q轴的反馈控制为比例积分调节，表达式如下：
Figure FDA0003160342730000023
Figure FDA0003160342730000024
Figure FDA0003160342730000025
Figure FDA0003160342730000026
其中，
Figure FDA0003160342730000027
表示d、q轴指令电流，在控制对象为隐极正弦波永磁同步电机时，
Figure FDA0003160342730000028
EId、EIq表示d、q轴电流跟踪误差，kIdp、kIqp表示d、q轴比例调节系数，kIdi、kIqi表示d、q轴积分调节系数，
Figure FDA0003160342730000029
表示d、q轴反馈调节输出。
5.根据权利要求4所述的交流伺服驱动方法，其特征在于，当控制对象为隐极正弦波三相永磁同步电机时，d轴实际的电压、电流的趋于稳态，q轴的电压、电流随负载变化，加强电流的响应能力，在q轴上加入前馈控制，表达式如下：
Figure FDA00031603427300000210
其中，fIqff表示电流环q轴的前馈函数，主要由电机在q轴上的伏安特性决定，
Figure FDA00031603427300000211
表示电流环q轴的前馈电压；
正弦波三相永磁同步电机的d、q轴存在相互干涉的旋转电动势，通过解耦控制消除，表达式如下：
Figure FDA00031603427300000212
Figure FDA00031603427300000213
其中，Ld、Lq表示电机定子绕组在d、q轴上的等效电感，ψf表示电机永磁体在dq坐标系下的等效磁链，
Figure FDA00031603427300000214
表示d、q轴轴的解耦电压；
经过反馈调节、前馈补偿和解耦计算，d、q轴总的指令电压
Figure FDA00031603427300000215
为
Figure FDA00031603427300000216
Figure FDA00031603427300000217
因SVPWM基于αβ坐标系，将
Figure FDA0003160342730000031
经逆PARK变换转换至αβ坐标系的指令电压
Figure FDA0003160342730000032
转换方程如下：
Figure FDA0003160342730000033
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