CN113556068B - 一种永磁同步电机伺服控制方法及伺服系统 - Google Patents

一种永磁同步电机伺服控制方法及伺服系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种永磁同步电机伺服控制方法及伺服系统，该方法包括：构建永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型和永磁同步电机控制系统的运动方程，基于所述数学模型和所述运动模型设计非串联结构下永磁同步电机的控制逻辑；采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差，基于专家经验确定模糊推理规则，建立控制参数的模糊规律控制表；通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PI D控制参数进行调节。通过该方案可以减小系统干扰带来的影响，较好的适应电机参数的变化带来的控制参数变化，能够在线实时的修正非线性误差，提高伺服系统的控制性能。

Description

一种永磁同步电机伺服控制方法及伺服系统
技术领域
本发明涉及永磁同步电机领域，尤其涉及一种永磁同步电机伺服控制方法及伺服系统。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)采用永磁体产生磁场，具备体积小、功率密度高等优点被广泛应用在数控机床、汽车制造、工业机器人等领域。由于其磁场主要由内部永磁体提供，使得从外部控制其磁场十分困难。常用的控制方法包括矢量控制和直接转矩控制，但是想要使PMSM系统具备更高性能的控制效果，必须进行更为先进、有效的控制策略来解决其他不确定性的问题。
目前应用最广的矢量控制通常采用转速和电流两个调节器，一般采用PI控制构成双闭环调速系统。然而，受系统各种因素的干扰，永磁同步电机实际运行中惯量的实时性变化会对控制性能的影响较大，如果不及时对控制器参数的在线调整可能会造成系统的性能下降，严重时还会导致系统失调。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种永磁同步电机伺服控制方法及伺服系统，用于解决现有永磁同步电机控制系统在电机运行时，惯量的实时变化会影响控制性能的问题。
在本发明实施例的第一方面，提供了一种永磁同步电机伺服控制方法，包括：
构建永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型和永磁同步电机控制系统的运动方程，基于所述数学模型和所述运动模型设计非串联结构下永磁同步电机的控制逻辑；
采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差，基于专家经验确定模糊推理规则，建立控制参数的模糊规律控制表；
根据控制参数的模糊规律控制表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PID控制参数进行调节。
在本发明实施例的第二方面，提供了一种永磁同步电机伺服系统，包括上位机、信号采样处理单元、编码器信号处理单元、DSP芯片、驱动单元，上位机将控制信息通过总线发送至DSP芯片中，信号采样处理单元与编码器信号处理单元将采集到的电压、电流和转速信号传输至DSP芯片内，DSP芯片通过空间矢量控制发送六路PWM波，六路PWM波通过功率放大器件加载到三相逆变电路的开关器件上，实现对永磁同步电机的控制；
其中，在所述DSP芯片中采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差，基于专家经验确定模糊推理规则，建立控制参数的模糊规律控制表；根据控制参数的模糊规律控制表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PID控制参数进行调节。
本发明实施例中，在电机负载惯量变化时，尤其是低速低转矩情况下，采用扩张状态观测器对系统扰动进行观测，采用前馈补偿的方法对系统干扰进行抑制，对给定量和二、三阶的估计值进行计算得到整合的给定量，然后与一阶估计值进行相减，得到的误差以及误差变化率作为模糊控制的输入，模糊控制输出作为传统PID控制参数的偏移量，由此进行控制参数的在线调节。从而可以较好的适应电机参数的变化带来的控制参数的影响，能够实现在线实时的修正非线性误差反馈，使系统的运行状况受到干扰的影响较小，稳态性能较传统PI控制有更好的提升，大大提高了伺服系统的控制性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机伺服控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的永磁同步电机在非串联结构下的控制逻辑示意图；
图3为本发明的实施例提供的永磁同步电机模糊PID控制示意图；
图4为本发明的实施例提供的永磁同步电机伺服系统结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种PID模糊控制原理示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。此外，“第一”“第二”用于区分不同对象，并非用于描述特定顺序。
永磁同步电机的矢量控制，通常采用转速和电流两个调节器，一般采用PI控制构成双闭环调速系统，速度环和电流环在控制周期存在差异。而随着PMSM控制系统的电流环与速度环之间的周期时间差越来越来小，在PMSM的控制器中非串级结构的适应性也大大增加。扩张状态观测器(ESO)是本发明实施例中一个重要组成部分，为了更好的反映实际输出中的扰动量，利用观测的思想，把各种扰动信息扩张成新的状态变量。前馈的角度出发，设计了三阶的扩张状态观测器来对系统的扰动进行观测，将含有未知扰动的非线性不确定对象转化为“积分串联型”对象进行前馈补偿。保证系统的稳定。模糊控制作为智能控制技术一种，是模糊集合理论应用的一个重要方面。通过模糊逻辑推理实现对不确定性的系统进行控制，根据人工的经验或教训形成控制理论规则，在一定程度上可以提高系统的鲁棒性。模糊控制存在一些不足之处就是本身难以消除稳态误差，很难达到较高的控制精度，因此本设计将模糊控制和传统PI控制相结合的方式作用于控制器中，将二者的优劣势互补。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种永磁同步电机伺服控制方法的流程示意图，包括：
S101、构建永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型和永磁同步电机控制系统的运动方程，基于所述数学模型和所述运动模型设计非串联结构下永磁同步电机的控制逻辑；
根据坐标转换原理将永磁同步电机的数学模型表示为：
Figure BDA0003159346660000041
可以理解的是，由于永磁同步电机工艺复杂，在建立以上数学模型中，必须做出如下假设：(1)忽略定子、转子的铁心磁阻，不计涡流和磁滞损耗；(2)电机三相绕组空间位置呈120°均匀分布；(3)永磁体的磁导率为零，转子上没有阻尼绕组；(4)稳态运行，产生的励磁磁场和三相绕组产生电枢磁场呈正弦分布，并且产生的电动势波形为正弦波。
永磁同步电机的电磁转矩方程表示为：Te＝np(ψfiq+(Ld-Lq)idiq)。
基于理想化的模型假设进行数学建模，满足Ld＝Lq＝L，永磁同步电机(PMSM)在旋转坐标系下的数学模型为：
Figure BDA0003159346660000051
其中，ud、uq为d、q轴电压，id、iq为轴电流，Pn为极对数，ωm为实际转速，Ls为定子电感，ψf为磁链，Te为电磁转矩，J为转动惯量，B为粘滞摩川系统，TL为负载转矩。
基于非串联结构，永磁同步电机控制系统的运动方程可以表示为：
Figure BDA0003159346660000052
进一步处理可得：
Figure BDA0003159346660000053
令
Figure BDA0003159346660000054
对方程进行简化，运动方程可以表示为：
Figure BDA0003159346660000055
基于以上数学模型和运动方程，可以构建永磁同步电机在非串联结构下的控制逻辑，其中，控制框图可以表示如图2所示。
S102、采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差，基于专家经验确定模糊推理规则，建立控制参数的模糊规律控制表；
抗干扰能力是衡量控制系统性能的重要指标，为了提高非串级结构下PMSM的控制抗干扰能力，本发明实施例中采用三阶的扩张状态观测器来对系统的扰动进行观测。
根据所述运动方程，定义总扰动为：
Figure BDA0003159346660000061
式中，
Figure BDA0003159346660000062
a0是
Figure BDA0003159346660000063
的估计值；
将d(t)作为一个扩张的新状态，定义x1＝ω，
Figure BDA0003159346660000064
和x3＝d，将系统扰动表示为：
Figure BDA0003159346660000065
则三阶扩张状态观测器表示为：
Figure BDA0003159346660000066
将系统扰动误差和扰动估计值相减得到系统的误差：
Figure BDA0003159346660000067
其中，d(t)表示总扰动，
Figure BDA0003159346660000068
表示实际转速的导数,ω表示实际转速，即转子旋转的机械角速度，TL表示负载转矩，
Figure BDA0003159346660000069
表示负载转矩的导数，k1、k2、k3、k4、a均表示中间变量，a0表示a的估计值，uq表示q轴电压，J表示转动惯量，Rs表示定子绕组电阻，L表示定子绕组电感，B表示粘滞摩擦系数，np表示永磁同步电机极对数，ψf表示磁链，
Figure BDA00031593466600000610
表示实际转速的导数，
Figure BDA00031593466600000611
表示估算的扩张量，d表示扰动，
Figure BDA00031593466600000612
表示扰动状态量，
Figure BDA00031593466600000613
表示扰动变化量，y表示系统输出，
Figure BDA0003159346660000071
均表示扩张状态观测器的状态变量，z1表示ω的估计值，z2表示
Figure BDA0003159346660000072
的估计值，z3表示总扰动估计值，p表示期望观测器的重极点，
Figure BDA0003159346660000073
均表示跟踪误差的导数，e1、e2、e3均表示跟踪误差，
Figure BDA0003159346660000074
表示内外总扰动的导数。
S103、根据控制参数的模糊规律控制表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PID控制参数进行调节。
针对外部扰动的影响，需要控制系统对不同运行状态具备自适应能力，虽然扩张状态观测器会对系统干扰进行补偿，但控制器中非线性的误差调节还只是类似传统PID的方式，在某些特定速段控制时，不能达到预期的控制要求，本申请实施例中，在原有的PI控制基础上改用模糊PID控制，其原理如图3所示。扩张状态观测器(ESO)输出的控制参数，对d轴、q轴的反馈电流进行调节，经过电流调节器输出相应的的d轴电压ud，模糊PID输出相应的q轴电压uq，基于d轴、q轴电压作用于三相逆变电路进行矢量脉宽调制，从而精准控制永磁同步电机。
根据给定与扩张状态观测器产生的状态变量估计之间的误差，运用专家经验得到模糊推理的规则，建立控制参数的模糊规律控制表，在进行去模糊化处理得到准确的控制叠加量，以实现控制参数的在线调节，便于更好的应对各种情况下的系统干扰。
具体的，设计模糊控制器，通过将扩张状态观测器反馈回来的一阶估计值、非串级结构得出系统计算值的误差e以及误差的变化率ec作为模糊控制的输入，模糊控制的输出ΔKp、ΔKi、ΔKd作为系统的增益系数作用于PID控制的三个控制系数上，实现在线调整和修正。
本实施例中，结合扩张状态观测器(ESO)和模糊PID控制，具备较强的抗干扰能力，能够很好应对惯量的变化，可以实时在线调节控制参数，较传统PI控制在PMSM控制性能上具有很大的改善。
在一个实施例中，将扩张状态观测器反馈回来的一阶估计值与通过非串级结构得出的系统计算值的误差e的论域取为[-33]，误差的变化率ec取为[-22]，系统的模糊集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。量化因子根据设定的输入量的实际论域而来，输出量的ΔKp、ΔKi、ΔKd的论域都取为[-33]，在模糊逻辑控制器中主要使用Mamdani模糊型，隶属度函数选用三角形。ΔKp模糊规则控制表如下：
ΔKp的模糊规则控制表
Figure BDA0003159346660000081
基于上表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PID控制参数进行调节
应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
本发明一个实施例还提供的一种永磁同步电机伺服系统，该系统包括上位机、信号采样处理单元、编码器信号处理单元、DSP芯片、驱动单元，上位机将控制信息通过总线发送至DSP芯片中，信号采样处理单元与编码器信号处理单元将采集到的电压、电流和转速信号传输至DSP芯片内，DSP芯片通过空间矢量控制发送六路PWM波，六路PWM波通过功率放大器件加载到三相逆变电路的开关器件上，实现对永磁同步电机的控制；
其中，在所述DSP芯片中采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差，基于专家经验确定模糊推理规则，建立控制参数的模糊规律控制表；根据控制参数的模糊规律控制表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PID控制参数进行调节。
进一步的，将三阶扩张状态观测器反馈的一阶估计值、非串联结构控制系统计算结果的误差以及误差变化率作为模糊控制的输入，模糊控制对应的输出值作为控制系统的增益系数作用于PID控制的三个控制系数上，实现控制系数的在线调整和修正。
在另一实施例中，所述伺服系统包括硬件电路设计和软件设计，硬件电路部分包括控制板和功率保护组件，控制板包括DSP最小系统设计、编码器信号处理单元、信号采样处理单元、驱动信号单元，功率保护组件包括开关电源模块、电流采样单元、PWM光耦隔离与驱动单元、整流单元与逆变单元、故障保护单元，该系统部分结构如图4所示。
所述DSP最小系统中，上位机将信息通过SCI、CAN总线发送至芯片中，信号采样处理单元与编码器信号处理单元将采集到的电压、电流、转速信号通过SPI传输至DSP芯片内，DSP芯片获得这些信息，通过空间矢量控制发送六路PWM波，六路PWM波通过功率放大器件加载到三相逆变电路的开关器件上，实现对永磁同步电机的控制。
在软件设计中，首先对DSP的时钟信号进行设置，为DSP中的外设提供时钟频率；其次搭建中断模块为DSP与上位机的通信以及脉冲器PMSM的控制算法的执行使能SCIRXINTA与T1UFINT中断；最后搭建脉冲器电机的矢量控制算法模型，包括带有改进型模糊PID控制的控制器模型、SVPWM算法模型、电流测量模型、转子速度与位置测量模型。对CCS集成开发环境进行设置并将Matlab中搭建的模型编译为可执行代码，下载到目标板中。
在永磁同步电机(PMSM)的控制中，根据诸多因素考虑，选择采用非串级结构，并利用复合控制方法来提升系统的控制性能。通过扩张状态观测器(ESO)对系统的扰动进行观测，采用前馈补偿的方法对系统进行抑制，事先对给定量和二、三阶的估计值进行计算得到整合的给定量，然后与一阶估计值进行相减，得到的误差以及误差变化率作为模糊控制的输入，模糊控制输出作为传统PID控制参数的偏移量，这样进行控制参数的在线调节，经过仿真验证，在应对干扰的情况下，较传统控制方式具有明显的改进，其过程如图5所示。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/系统实施例仅仅是示意性的。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机伺服控制方法，其特征在于，包括：
构建永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型和永磁同步电机控制系统的运动方程，基于所述数学模型和所述运动方程设计非串联结构下永磁同步电机的控制逻辑；
采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差，基于专家经验确定模糊推理规则，建立控制参数的模糊规律控制表；
其中，根据所述运动方程，定义总扰动为：
Figure FDA0003599555200000011
式中，
Figure FDA0003599555200000012
a0是
Figure FDA0003599555200000013
的估计值；
将d(t)作为一个扩张的新状态，定义x1＝ω，
Figure FDA0003599555200000014
和x3＝d，将系统扰动表示为：
Figure FDA0003599555200000015
则三阶扩张状态观测器表示为：
Figure FDA0003599555200000016
将系统扰动误差和扰动估计值相减得到系统的误差：
Figure FDA0003599555200000021
其中，d(t)表示总扰动，
Figure FDA0003599555200000022
表示实际转速的导数，ω表示实际转速，TL表示负载转矩，
Figure FDA0003599555200000023
表示负载转矩的导数，k1、k2、k3、k4、a均表示中间变量，a0表示a的估计值，uq表示q轴电压，J表示转动惯量，Rs表示定子绕组电阻，L表示定子绕组电感，B表示粘滞摩擦系数，np表示永磁同步电机极对数，ψf表示磁链，
Figure FDA0003599555200000024
表示实际转速的导数，
Figure FDA0003599555200000025
表示估算的扩张量，d表示扰动，
Figure FDA0003599555200000026
表示扰动状态量，
Figure FDA0003599555200000027
表示扰动变化量，y表示系统输出，
Figure FDA0003599555200000028
均表示扩张状态观测器的状态变量，z1表示ω的估计值，z2表示
Figure FDA0003599555200000029
的估计值，z3表示总扰动估计值，p表示期望观测器的重极点，
Figure FDA00035995552000000210
均表示跟踪误差的导数，e1、e2、e3均表示跟踪误差，
Figure FDA00035995552000000211
表示内外总扰动的导数；
根据控制参数的模糊规律控制表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PID控制参数进行调节。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据控制参数的模糊规律控制表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PI控制参数进行调节包括：
将三阶扩张状态观测器反馈的一阶估计值、非串联结构控制系统计算结果的误差以及误差变化率作为模糊控制的输入，模糊控制对应的输出值作为控制系统的增益系数作用于PID控制的三个控制系数上，实现控制系数的在线调整和修正。
3.一种永磁同步电机伺服系统，包括上位机、信号采样处理单元、编码器信号处理单元、DSP芯片、驱动单元，其特征在于，上位机将控制信息通过总线发送至DSP芯片中，信号采样处理单元与编码器信号处理单元将采集到的电压、电流和转速信号传输至DSP芯片内，DSP芯片通过空间矢量控制发送六路PWM波，六路PWM波通过功率放大器件加载到三相逆变电路的开关器件上，实现对永磁同步电机的控制；
其中，在所述DSP芯片中采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差，基于专家经验确定模糊推理规则，建立控制参数的模糊规律控制表；根据控制参数的模糊规律控制表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PID控制参数进行调节；
所述计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差包括：
根据运动方程，定义总扰动为：
Figure FDA0003599555200000031
式中，
Figure FDA0003599555200000032
a0是
Figure FDA0003599555200000033
的估计值；
将d(t)作为一个扩张的新状态，定义x1＝ω，
Figure FDA0003599555200000034
和x3＝d，将系统扰动表示为：
Figure FDA0003599555200000035
则三阶扩张状态观测器表示为：
Figure FDA0003599555200000041
将系统扰动误差和扰动估计值相减得到系统的误差：
Figure FDA0003599555200000042
其中，d(t)表示总扰动，
Figure FDA0003599555200000043
表示实际转速的导数，ω表示实际转速，TL表示负载转矩，
Figure FDA0003599555200000044
表示负载转矩的导数，k1、k2、k3、k4、a均表示中间变量，a0表示a的估计值，uq表示q轴电压，J表示转动惯量，Rs表示定子绕组电阻，L表示定子绕组电感，B表示粘滞摩擦系数，np表示永磁同步电机极对数，ψf表示磁链，
Figure FDA0003599555200000045
表示实际转速的导数，
Figure FDA0003599555200000046
表示估算的扩张量，d表示扰动，
Figure FDA0003599555200000047
表示扰动状态量，
Figure FDA0003599555200000048
表示扰动变化量，y表示系统输出，
Figure FDA0003599555200000049
均表示扩张状态观测器的状态变量，z1表示ω的估计值，z2表示
Figure FDA00035995552000000410
的估计值，z3表示总扰动估计值，p表示期望观测器的重极点，
Figure FDA00035995552000000411
均表示跟踪误差的导数，e1、e2、e3均表示跟踪误差，
Figure FDA00035995552000000412
表示内外总扰动的导数。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述根据控制参数的模糊规律控制表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PI控制参数进行调节包括：
将三阶扩张状态观测器反馈的一阶估计值、非串联结构控制系统计算结果的误差以及误差变化率作为模糊控制的输入，模糊控制对应的输出值作为控制系统的增益系数作用于PID控制的三个控制系数上，实现控制系数的在线调整和修正。
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