CN115441789A - 一种高精度车类速度控制器的优化方法 - Google Patents

一种高精度车类速度控制器的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度车类速度控制器的优化方法，包括：S101、搭建电机闭环控制系统，并确定速度回路；S102、建立dq同步旋转坐标系，并建立控制模型；S103、根据选用的控制模型进行PI参数调节；S104、优化控制过程中的多余振荡，所述速度回路的确定中，速度回路为PI控制器，通过将指令速度与实际速度进行比较得到速度误差ΔV，并发出调整电机速度的指令，通过比例增益Kp与积分增益Ki来确定校正命令，所述建立dq同步旋转坐标系的过程中，建立dq坐标系，并定位于转子磁链上，将d轴方向作为磁链方向，q轴方向作为超前90度方向，形成同步旋转的正交坐标系，本发明，具有可消除静态偏差和响应更快的特点。

Description

一种高精度车类速度控制器的优化方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体为一种高精度车类速度控制器的优化方法。
背景技术
永磁同步电机因具有功率密度高、体积小等优点，被广泛应用在工业控制系统领域中。比例积分控制是一种传统的线性控制方式，可以根据给定值与实际输出值构成控制偏差，并将偏差的比例和积分通过线性组合成控制量，对被控对象进行控制，得到了大量应用。然而，永磁步进电机是一种非线性系统，并且电机控制系统的性能易受电机参数波动、外部负载变化影响，导致传统的比例积分线性控制无法适用于高性能的电机控制系统中，而目前的硬件发展工艺近趋瓶颈，很难在硬件层面上进行电机控制优化，因此，设计可消除静态偏差和响应更快的一种高精度车类速度控制器的优化方法是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度车类速度控制器的优化方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高精度车类速度控制器的优化方法，包括：
S101、搭建电机闭环控制系统，并确定速度回路；
S102、建立dq同步旋转坐标系，并建立控制模型；
S103、根据选用的控制模型进行PI参数调节；
S104、优化控制过程中的多余振荡。
根据上述技术方案，所述速度回路的确定中，速度回路为PI控制器，通过将指令速度与实际速度进行比较得到速度误差ΔV，并发出调整电机速度的指令，通过比例增益Kp与积分增益Ki来确定校正命令。
根据上述技术方案，所述建立dq同步旋转坐标系的过程中，建立dq坐标系，并定位于转子磁链上，将d轴方向作为磁链方向，q轴方向作为超前90度方向，形成同步旋转的正交坐标系；
所述建立控制模型的步骤中，还包括对传递函数的选择和PI控制器类型的选择。
根据上述技术方案，所述传递函数的选择过程中，根据dq轴电压方程，通过调整方程中的耦合项，作为新的轴电压，并根据新的轴电压确定传递函数H(S)；
所述PI控制器类型的选择中，通过并联型PI控制器与串联型PI控制器的传递函数表达式，选择约束参数少的串联型PI控制器。
根据上述技术方案，所述PI参数调节的步骤包括对比例控制参数和积分控制参数的调节；
所述PI参数调节的过程在MATLAB中实现与验证；
所述比例控制参数决定控制系统的反应力度，所述积分控制参数起到超前控制的效果；
所述比例控制参数和积分控制参数确定开环的系统传递函数H(S)k，并通过将PI控制器的零点与在dq轴中的极点进行抵消，形成新的传递函数。
根据上述技术方案，所述新的传递函数可以通过转换间接得到二阶低通滤波器，起到遏制系统衰减、减少相位滞后的效果；
所述二阶低通滤波器中包含阻尼比参数，所述阻尼比参数存在一个定值使系统的衰减程度与相位滞后程度处于平衡状态。
根据上述技术方案，所述优化控制过程中的多余振荡步骤中，在PI控制系统中添加一个微分项，并选择零点的位置；
将所述微分项与二阶低通滤波器进行联动，增加系统的相位裕度，减少系统的相应滞后性。
根据上述技术方案，所述PI控制器的输入电压经过开环传递函数后，将高频部分的微分噪声滤除。
根据上述技术方案，所述系统包括：
PI控制器，用于根据给定值与实际输出值构成控制偏差，并将控制偏差的比例和积分通过线性组合成控制量；
dq坐标生成模块，用于确定dq轴电压方程，并生成dq坐标系；
控制模型建立模块，用于建立PI控制模型；
PI参数调节模块，用于在PI控制模型中调节系统运行过程中的比例参数与积分参数；
传递函数选择模块，用于在不同的控制阶段选择相应的传递函数；
稳定优化模块，用于根据零极点的关系提高系统的稳定性，并形成多阶滤波器。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，通过设置有对传递函数的多重优化，结合，PI控制器的控制参数，提高控制系统的稳定性；通过设置有对二阶低通滤波器的计算，与PI控制器的零点分别将系统中的高频与低频噪声滤除；通过设置有对二阶低通滤波器中阻尼比参数的确定，使系统的衰减程度与相位滞后程度处于平衡状态。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的一种高精度车类速度控制器的优化方法流程图；
图2是本发明提供的一种高精度车类速度控制器的优化系统模块示意图；
图3是本发明系统运行过程中的PI控制器相频特性示意图；
图4是本发明系统运行过程中零极点抵消后示意图；
图5-图7是本发明系统在复数表示过程中的根轨迹变化示意图；
图8是本发明系统经过优化后的相频特性示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
图1为本发明实施例一提供的一种高精度车类速度控制器的优化方法的流程图，本实施例可适用于对无人搬运车的速度控制场景下，该方法可以由本发明实施例提供的车类速度控制系统来执行，该系统可以由软件和/或硬件的方式实现，通常配置于车类速度控制器中，如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
S101、搭建电机闭环控制系统，并确定速度回路；
在本发明的实施例中，电机闭环控制系统作为电机调速系统的一部分，可以与常规的整流变压器、整流调速装置、测速发电机等设备共同组成速度控制系统。
在本发明的另一些实施例中，速度回路也可以是PI控制器，通过转速表或编码器将指令速度与实际速度进行比较得到速度误差ΔV，并相应地发出增加或降低电机速度的指令，可以通过比例增益Kp或积分增益Ki来确定校正命令。具体的，比例增益Kp的大小与速度误差的大小成正比，积分增益Ki随着时间参数T的推移而增加，在驱动结束时将电机的控制误差缩减到趋近0。
S102、建立dq同步旋转坐标系，并建立控制模型；
在本发明实施例中，要控制车类的速度，就是要控制电机的力矩，而力矩在电机控制系统中表示为磁链，磁链由电流控制，电流作为控制器输入电压的响应，并通过定子磁链与转子磁链相互吸引产生电机转矩，电机转矩的大小、方向与定子磁链和转子磁链的幅值有关，建立dq坐标系，并定位与转子磁链上，将d轴方向作为磁链方向，q轴方向作为超前90度方向，形成同步旋转的正交坐标系。
在本发明实施例中，电流作为电机对输入电压的响应，这个响应过程需要选择传递函数，将电压转化为电流信号，再传回控制器。
具体的，传递函数的选择过程为：
确定dq轴电压方程；其中：
Figure BDA0003873547040000051
Figure BDA0003873547040000052
式中，Ud、Uq分别是d、q轴电压，R为定子电阻，id、iq分别是d、q轴电流，ωe为电角速度，Ld、Lq分别是d、q轴电感，ψ为电机中永磁铁与定子交链的磁链。在本发明实施例中，ωeLqiq和ωeLdid+ωeψ部分作为耦合项参与运算。
在本发明实施例中，通过dq轴电压方程可知，d轴电压不仅与d轴电流有关，还与q轴电流有关，q轴电压同理，直接用公式很难计算出准确的输出电压，需要进行简化。
具体的，在原本的Ud和Uq增加或减少耦合项，作为新的轴电压Ud′和Uq′，示例性的：
Ud′＝Ud+ωeLqiq；
Uq′＝Uq-ωeLdid-ωeψ；
根据新的轴电压确定传递函数H(S)，具体的：
Figure BDA0003873547040000061
传递函数H(S)作为PI控制器中的传递函数表达依据。
在本发明实施例中，根据不同的传递函数确定PI控制器的连接方式，并对零点的选择进行调整。具体的，在本发明实施例中，PI控制器包括并联型PI控制器和串联型PI控制器，其中并联型PI控制器的传递函数：
Figure BDA0003873547040000062
串联型PI控制器的传递函数：
Figure BDA0003873547040000063
在本发明实施例中，通过对比，串联型PI控制器的零点仅由Ki决定，而并联型PI控制器的零点由KpKi共同决定，因此选用串联型PI控制器，减少约束参数。
在本发明实施例中，PI控制器的零点提供一条前馈通路，负责低频率时的传输响应，并能将电机电位状态提前，抵消掉半个周期的延迟。
S103、根据选用的控制模型进行PI参数调节；
在本发明实施例中，PI参数调节包括比例控制参数和积分控制参数，其中比例控制参数决定控制系统的反应力度，积分控制参数起到超前控制的效果。在本发明的实施例中，PI参数的调节过程在MATLAB中完成。
示例性的，请参阅图3，在MATLAB中运行PI控制器后，生成当前Bode图，图中出现明显频率拐点，且相位出现滞后，具有低通滤波器的性质，因此需要将拐点抵消提高稳定性。
在本发明实施例中，开环的系统传递函数H(S)k可以表示为：
Figure BDA0003873547040000071
式中，
Figure BDA0003873547040000072
表示串联PI控制器的传递函数，
Figure BDA0003873547040000073
表示PI控制器中的通用传递函数的倒数，T为时间参数，影响积分增益Ki的变化。
在本发明实施例中，为了抵消拐点，需要将整个开环的系统传递函数中，PI控制器的零点与电机在dq轴中的极点进行抵消。具体的，令
Figure BDA0003873547040000074
即可将零点表达式s+Ki与电机极点表达式
Figure BDA0003873547040000075
在传递函数中抵消，形成新的传递函数，并提高了系统的稳定性。
示例性的，请参阅图4，零极点抵消后的Bode图中，频率拐点被抵消，相位仍是滞后，需要进行二阶低通滤波。
在本发明实施例中，最终的系统开环传递函数表达式为：
Figure BDA0003873547040000076
示例性的，所需要的二阶低通滤波器起到遏制系统衰减，从而减少相位滞后，根据系统开环传递函数Q可以间接获得系统所需要的二阶低通滤波器。具体的，根据公式
Figure BDA0003873547040000077
可得到开环传递函数Q作用下的二阶低通滤波器，式中包含阻尼比参数ρ，而ρ越大表示系统的衰减越慢，存在一个特殊值使得系统处于最稳定的状态，根据二阶低通滤波器的表示形式可知，当ρ＝0.707时，系统的衰减程度与相位滞后程度处于平衡状态。
在本发明实施例中，通过设置PI控制器的参数，结合系统开环传递函数，当系统稳定时，记录该时刻的PI参数，并设置PI参数变化区间，生成一连串的Bode图作为验证。
S104、优化控制过程中的多余振荡。
请参阅图5-6，在本发明实施例中，当系统的增益临界点确定时，随着Kp的增大，系统的复数表示中都是负根，系统稳定，但是随着Kp不断增大，到达临界点时，继续增大会导致系统的复数实部停止变化，虚部绝对值一直增大，导致振荡加剧，在电机中表现为负载力矩过大，电机失步。
在本发明实施例中，为了防止电机出现失步，需要将系统根的实部往左移，虚部绝对值变小，因此在PI控制系统中添加一个微分项，并选择零点的位置。
请参阅图7，在本发明实施例中，添加微分项后，根的实部向左移动，系统的稳定性和瞬态响应都得到了提升，并且虚部没有明显增加，振荡可控，系统的性能得到明显改善。
在本发明实施例中，由于在系统中添加了微分项，改善了系统的性能，引入了新的零点，但是由于微分对噪声的敏感性太强，会导致电机受到传感器的影响，pwm信号出现明显波动，系统表现为响应滞后多个周期，而将二阶低通滤波器与添加微分项后的系统进行联动即可增加系统的相位裕度，减小系统的响应滞后性。
请参阅图8，在本发明实施例中，输入电压直接经过开环传递函数后，会将高频部分的微分噪声滤除，与零点一起消除掉系统中高低频的噪声。
实施例二：
图2为本发明实施例提供的一种高精度车类速度控制器的优化系统模块图，如图2所示，该系统包括：
PI控制器，用于根据给定值与实际输出值构成控制偏差，并将控制偏差的比例和积分通过线性组合成控制量；
dq坐标生成模块，用于确定dq轴电压方程，并生成dq坐标系，进而确定原始传递函数；
控制模型建立模块，用于建立PI控制模型；
PI参数调节模块，用于在PI控制模型中调节系统运行过程中的比例参数与积分参数；
传递函数选择模块，用于在不同的控制阶段选择相应的传递函数。
稳定优化模块，用于根据零极点的关系提高系统的稳定性，并形成多阶滤波器。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高精度车类速度控制器的优化方法，其特征在于：包括：
S101、搭建电机闭环控制系统，并确定速度回路；
S102、建立dq同步旋转坐标系，并建立控制模型；
S103、根据选用的控制模型进行PI参数调节；
S104、优化控制过程中的多余振荡。
2.根据权利要求1所述的一种高精度车类速度控制器的优化方法，其特征在于：所述速度回路的确定中，速度回路为PI控制器，通过将指令速度与实际速度进行比较得到速度误差ΔV，并发出调整电机速度的指令，通过比例增益Kp与积分增益Ki来确定校正命令。
3.根据权利要求2所述的一种高精度车类速度控制器的优化方法，其特征在于：所述建立dq同步旋转坐标系的过程中，建立dq坐标系，并定位于转子磁链上，将d轴方向作为磁链方向，q轴方向作为超前90度方向，形成同步旋转的正交坐标系；
所述建立控制模型的步骤中，还包括对传递函数的选择和PI控制器类型的选择。
4.根据权利要求3所述的一种高精度车类速度控制器的优化方法，其特征在于：所述传递函数的选择过程中，根据dq轴电压方程，通过调整方程中的耦合项，作为新的轴电压，并根据新的轴电压确定传递函数H(S)；
所述PI控制器类型的选择中，通过并联型PI控制器与串联型PI控制器的传递函数表达式，选择约束参数少的串联型PI控制器。
5.根据权利要求4所述的一种高精度车类速度控制器的优化方法，其特征在于：所述PI参数调节的步骤包括对比例控制参数和积分控制参数的调节；
所述PI参数调节的过程在MATLAB中实现与验证；
所述比例控制参数决定控制系统的反应力度，所述积分控制参数起到超前控制的效果；
所述比例控制参数和积分控制参数确定开环的系统传递函数H(S)k，并通过将PI控制器的零点与在dq轴中的极点进行抵消，形成新的传递函数。
6.根据权利要求5所述的一种高精度车类速度控制器的优化方法，其特征在于：所述新的传递函数可以通过转换间接得到二阶低通滤波器，起到遏制系统衰减、减少相位滞后的效果；
所述二阶低通滤波器中包含阻尼比参数，所述阻尼比参数存在一个定值使系统的衰减程度与相位滞后程度处于平衡状态。
7.根据权利要求6所述的一种高精度车类速度控制器的优化方法，其特征在于：所述优化控制过程中的多余振荡步骤中，在PI控制系统中添加一个微分项，并选择零点的位置；
将所述微分项与二阶低通滤波器进行联动，增加系统的相位裕度，减少系统的相应滞后性。
8.根据权利要求7所述的一种高精度车类速度控制器的优化方法，其特征在于：所述PI控制器的输入电压经过开环传递函数后，将高频部分的微分噪声滤除。
9.一种高精度车类速度控制器的优化系统，应用于一种高精度车类速度控制器的优化方法中，其特征在于：所述系统包括：
PI控制器，用于根据给定值与实际输出值构成控制偏差，并将控制偏差的比例和积分通过线性组合成控制量；
dq坐标生成模块，用于确定dq轴电压方程，并生成dq坐标系；
控制模型建立模块，用于建立PI控制模型；
PI参数调节模块，用于在PI控制模型中调节系统运行过程中的比例参数与积分参数；
传递函数选择模块，用于在不同的控制阶段选择相应的传递函数；
稳定优化模块，用于根据零极点的关系提高系统的稳定性，并形成多阶滤波器。
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