CN115714561A - 永磁同步电机的电流环前馈系统、控制方法和可读介质 - Google Patents

永磁同步电机的电流环前馈系统、控制方法和可读介质 Download PDF

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CN115714561A
CN115714561A CN202211517316.9A CN202211517316A CN115714561A CN 115714561 A CN115714561 A CN 115714561A CN 202211517316 A CN202211517316 A CN 202211517316A CN 115714561 A CN115714561 A CN 115714561A
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CN
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current loop
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speed
loop
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王乾
李睿钦
王启超
吕强
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Real Time Chivalrous Intelligent Control Technology Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机的电流环前馈系统、控制方法和可读介质，包括：电机惯量模型，用于根据给定的轨迹规划速度计算出电流无延迟状态下所需要的驱动电流；电流环逆模型，用于根据轨迹规划速度和驱动电流计算出相位超前电流；ZV整形器，用于对相位超前电流进行整形获得整形后前馈电流。本发明的永磁同步电机的电流环前馈系统根据给定的轨迹规划速度计算出一种精准的前馈电流，该前馈电流可以抵消电流环的延迟以及震荡特性，改善速度环和位置环的响应，尤其在高速运转的工况下，可以显著提升响应速度，降低系统对PID控制器性能的依赖。

Description

永磁同步电机的电流环前馈系统、控制方法和可读介质
技术领域
本发明主要涉及永磁同步电机领域，尤其涉及一种永磁同步电机的电流环前馈系统、控制方法和可读介质。
背景技术
随着现代工业技术的飞速发展，永磁同步电机(PMSM)因具有简单的结构、强大的过载能力、快速的响应速度以及高效率、高可靠性等优点，在伺服领域中已经占有了重要地位。
目前，用于永磁同步电机的控制系统由位置环、速度环、电流环构成。而电流环的控制主要由前馈参数和闭环比例、积分、微分(Proportional Integral Derivative，PID)调节组成，前馈参数的准确性直接影响系统的响应性、稳定性和可靠性。
为提高前馈参数的准确性，CN114598219A提出了一种自适应调节永磁同步电机矢量控制系统前馈参数的方法，该方法针对电流环的电感和电流特性对电流环的参数进行调整。该方法只是针对电流环参数进行辨识，导致前馈参数的准确性不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机的电流环前馈系统、控制方法和可读介质，解决现有的前馈参数的准确性不高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁同步电机的电流环前馈系统，包括：电机惯量模型，用于根据给定的轨迹规划速度计算出电流无延迟状态下所需要的驱动电流；电流环逆模型，用于根据所述轨迹规划速度和所述驱动电流计算出相位超前电流；ZV整形器，用于对所述相位超前电流进行整形获得整形后前馈电流。
可选地，所述电机惯量模型为包含二次多项式摩擦力的惯量模型，表示为如下形式：
Figure BDA0003970743610000021
其中Id是所述驱动电流，Jt为转动惯量，ω是轨迹规划速度，
Figure BDA0003970743610000022
是ω的一阶导数，a2，a1和a0是摩擦力系数。
可选地，所述电机惯量模型的转动惯量Jt、摩擦力系数a2，a1和a0是通过无前馈测试得到的轨迹规划速度、速度反馈、电流给定和电流反馈拟合得到。
可选地，所述电流环逆模型表示为如下形式：
Figure BDA0003970743610000023
Figure BDA0003970743610000024
其中，Idnew是相位超前电流，Id是所述驱动电流，Tc是电流环延迟系数，k是电流环放大系数，Jt为转动惯量，ω是轨迹规划速度，
Figure BDA0003970743610000025
是是ω的一阶导数，
Figure BDA0003970743610000026
是ω的二阶导数，a2，a1是摩擦力系数。
可选地，所述电流环逆模型的电流环延迟系数Tc和电流环放大系数k是通过无前馈测试得到的电流给定和电流反馈拟合得到。
可选地，所述ZV整形器表示为如下形式：
Figure BDA0003970743610000027
Figure BDA0003970743610000028
Figure BDA0003970743610000029
Figure BDA00039707436100000210
其中，FZV是所述ZV整形器的传递函数，wn是二阶系统的自然频率，ξ是阻尼系数，s是拉氏变换算子。
可选地，所述电流环逆模型还用于：根据所述电流环逆模型、所述电机惯量模型和所述ZV整形器计算出初始前馈电流对应的理论速度；根据所述理论速度和所述轨迹规划速度设计目标函数；对所述目标函数进行非线性优化求解得到所述电流环逆模型的新参数值，根据所述新参数值获得所述整形后前馈电流。
可选地，所述目标函数为如下形式：
minf(Tc,k)＝min||VZV_(Tc,k)-ω||
其中，f(Tc,k)为目标函数，VZV_(Tc,k)为所述理论速度，ω是轨迹规划速度，(Tc,k)为所述电流环逆模型的参数。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁同步电机的电流环前馈控制方法，包括：
根据给定的轨迹规划速度计算出电流无延迟状态下所需要的驱动电流；
根据所述轨迹规划速度和所述驱动电流计算出相位超前电流；
对所述相位超前电流进行整形获得整形后前馈电流，将整形后前馈电流叠加到控制电流上作为电流环的电流给定。
可选地，通过如下公式计算所述驱动电流：
Figure BDA0003970743610000031
其中Id是所述驱动电流，Jt为转动惯量，ω是轨迹规划速度，
Figure BDA0003970743610000032
是ω的一阶导数，a2，a1和a0是摩擦力系数。
可选地，通过如下公式计算所述相位超前电流：
Figure BDA0003970743610000033
Figure BDA0003970743610000034
其中，Idnew是相位超前电流，Id是所述驱动电流，Tc是电流环延迟系数，k是电流环放大系数，Jt为转动惯量，ω是轨迹规划速度，
Figure BDA0003970743610000035
是是ω的一阶导数，
Figure BDA0003970743610000036
是ω的二阶导数，a2，a1是摩擦力系数。
可选地，方法还包括：对所述电流环延迟系数和所述电流环放大系数进行二次辨识，得到第一电流环延迟系数和第一电流环放大系数，根据所述第一电流环延迟系数和第一电流环放大系数得到整形后前馈电流。
可选地，对所述电流环延迟系数和所述电流环放大系数进行二次辨识包括：将电流环延迟系数和电流环放大系数作为参变量，计算出初始前馈电流；计算出所述初始前馈电流对应的理论速度；根据所述理论速度和所述轨迹规划速度设计目标函数；对所述目标函数进行非线性优化求解得到所述第一电流环延迟系数和所述第一电流环放大系数。
可选地，所述目标函数为如下形式：
min f(Tc,k)＝min||VZV_(Tc,k)-ω||
其中，f(Tc,k)为目标函数，VZV_(Tc,k)为所述理论速度，ω是轨迹规划速度，Tc是电流环延迟系数，k是电流环放大系数。为解决上述技术问题，本发明提供了一种存储有计算机程序代码的计算机可读介质，所述计算机程序代码在由处理器执行时实现前文所述的控制方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的永磁同步电机的电流环前馈系统根据给定的轨迹规划速度计算出一种精准的前馈电流，该前馈电流可以抵消电流环的延迟以及震荡特性，改善速度环和位置环的响应，尤其在高速运转的工况下，可以显著提升响应速度，降低系统对PID控制器性能的依赖。
附图说明
包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：
图1是根据本发明一实施例的永磁同步电机的电流环前馈系统的示意图；
图2是根据本发明一实施例的电流环前馈系统的速度反馈第一效果图；
图3是根据本发明一实施例的电流环前馈系统的速度反馈第二效果图；
图4是根据本发明一实施例的永磁同步电机的电流环前馈控制方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。
本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
图1是根据本发明一实施例的永磁同步电机的电流环前馈系统的示意图。如图1所示，永磁同步电机的电流环前馈系统100包括电机惯量模型11、电流环逆模型12和ZV整形器13。其中电机惯量模型11用于根据给定的轨迹规划速度ω计算出电流无延迟状态下所需要的驱动电流Id；电流环逆模型12用于根据轨迹规划速度ω和驱动电流Id计算出相位超前电流Idnew；ZV整形器13用于对相位超前电流Idnew进行整形获得整形后前馈电流IZV。
永磁同步电机的电流环前馈系统100的主要思想为通过辨识电流环的延迟，将前馈电流的相位提前，使得前馈电流可以补偿电流环的延迟特性，同时使用整形器提高电流环的稳定性，降低速度反馈的震荡和超调。以下对永磁同步电机的电流环前馈系统100进行详细说明。
电机惯量模型11为包含二次多项式摩擦力的惯量模型，表示为如下形式：
Figure BDA0003970743610000061
其中Id是驱动电流，Jt为转动惯量，ω是轨迹规划速度，
Figure BDA0003970743610000062
是ω的一阶导数，a2，a1和a0是摩擦力系数。
其中电机惯量模型11的转动惯量Jt、摩擦力系数a2，a1和a0是通过无前馈测试得到的轨迹规划速度、速度反馈、电流给定和电流反馈拟合得到。无前馈测试是指去除前馈控制，仅保留位置环、速度环、电流环控制的情况下，采集轨迹规划速度ω，速度反馈Vfeed，电流给定Igive和电流反馈Ifeed。具体地，将测量的Ifeed替换Id代入电机惯量模型11中，得到：
Figure BDA0003970743610000063
将转动惯量Jt、摩擦力系数a2，a1和a0作为参变量，即可计算出相应的电机转速
Figure BDA0003970743610000064
设计目标函数为如下形式：
Figure BDA0003970743610000065
其中J1是电机惯量模型11的目标函数，
Figure BDA0003970743610000066
是电机转速，ω是轨迹规划速度。因为电机惯量模型11的传递函数仅含一个积分环节，设
Figure BDA0003970743610000067
Figure BDA0003970743610000068
则有系统传递函数如下，其中s是拉氏变换算子：
Figure BDA0003970743610000071
可以通过二次非线性优化的方式得到转动惯量Jt、摩擦力系数a2，a1和a0的最优辨识值。其中实现二次非线性优化的方式有很多，例如python或者c++都有相应的工具库可以使用，本申请对此不作限制。
根据电机惯量模型11，结合已经得到的参数转动惯量Jt、摩擦力系数a2，a1和a0，可以通过轨迹规划速度ω计算出无电流延迟状态下所需要的驱动电流Id。
电流环逆模型12和ZV整形器13可由电流环的模型得到。电流环的模型可以分为一阶模型和二阶模型。一阶模型用于对电流前馈进行延迟补偿，而二阶模型由于能够更加贴近电流环的特性，因此用于后续非线性优化问题中所需要的电流环仿真。一阶模型和二阶模型的参数均通过输入电流给定Igive，拟合电流反馈Ifeed并使用非线性优化的方式来完成辨识。
其中，电流环的一阶模型可表示为如下形式：
Figure BDA0003970743610000072
其中，Ifeed为电流反馈，Igive为电流给定，Tc是电流环延迟系数，k是电流环放大系数，s是拉氏变换算子算子。
在一阶模型中待优化参数为电流环延迟系数Tc和电流环放大系数k，设计一阶模型的目标函数为如下形式：
Figure BDA0003970743610000073
其中J2为一阶模型的目标函数，
Figure BDA0003970743610000074
为在确定电流给定Igive时根据一阶模型预测的电流，Ifeed为电流反馈。可以通过二次非线性优化的方式得到电流环延迟系数Tc和电流环放大系数k的最优辨识值。
随后根据电流环的一阶模型可以反推得到电流环逆模型12，电流环逆模型12表示为如下形式：
Figure BDA0003970743610000075
Figure BDA0003970743610000076
其中，Idnew是相位超前电流，Id是驱动电流，Tc是电流环延迟系数，k是电流环放大系数，Jt为转动惯量，ω是轨迹规划速度，
Figure BDA0003970743610000081
是是ω的一阶导数，
Figure BDA0003970743610000082
是ω的二阶导数，a2，a1是摩擦力系数。
电流环的二阶模型可表示为如下形式：
Figure BDA0003970743610000083
其中，Ifeed为电流反馈，Igive为电流给定，k是电流环放大系数，wn是二阶模型的自然频率，ξ是阻尼系数。
根据电流环的二阶模型可以得到ZV整形器13，ZV整形器13表示为如下形式：
Figure BDA0003970743610000084
Figure BDA0003970743610000085
Figure BDA0003970743610000086
Figure BDA0003970743610000087
其中，FzV是ZV整形器的传递函数，wn是二阶模型的自然频率，ξ是阻尼系数，s是拉氏变换算子。整形后前馈电流IZV是ZV整形器的传递函数FzV的输出。
在一些实施例中，电流环逆模型12还用于对一阶模型参数进行二次辨识，从而得到最终电流环前馈系统100所需要的电流环一阶模型参数。如图1所示，整形后的前馈电流IZV是由轨迹规划速度ω经过电机惯量模型11、电流环逆模型12和ZV整形器13后计算得到的。现将一阶模型的参数Tc，k作为参变量，并保持其他所有变量不变，其他所有变量包括电机惯量模型11的参数(Jt,a2,a1,a0)和ZV整形器13的参数(A1,A2,t2)。可以得到初始前馈电流IZV(Tc,k)，随后经过电机惯量模型11计算出初始前馈电流IZV(Tc,k)对应的理论速度VZV_(Tc,k)。为了使其与轨迹规划速度ω之间的偏差最小，设计非线性优化问题的目标函数为：
minf(Tc,k)＝min||VZV_(Tc,k)-ω||
其中，f(Tc,k)为目标函数，VzV_(Tc,k)为理论速度，ω是轨迹规划速度，Tc是电流环延迟系数，k是电流环放大系数。
使在前馈电流开环控制下的速度响应最贴近轨迹规划速度，将一阶模型中得到的Tc与k作为初始参考值，对上述非线性优化问题进行求解，可得到电流环的一阶模型新的参数值
Figure BDA0003970743610000091
和knew。
综上，电流环前馈系统100的电机惯量模型11的参数(Jt,a2,a1,a0)，电流环逆模型12的参数
Figure BDA0003970743610000092
ZV整形器13的参数(A1,A2,t2)都已确定。输入轨迹规划速度ω即可得到对应的整形后前馈电流IZV，将整形后前馈电流IzV叠加到控制电流Ic上作为电流环的电流给定。
图2是根据本发明一实施例的电流环前馈模型的速度反馈第一效果图。坐标系的横坐标是采样点数，采样频率可以为5kHz；坐标系的竖坐标是电机实测的速度按照3000转/分量化后的转速值，本实施例采用24位编码器，因此纵坐标的224对应3000转/分。曲线21为轨迹规划速度，曲线22为没有叠加整形后前馈电流对应的速度反馈，曲线23为叠加了整形后前馈电流对应的速度反馈。如图2所示，曲线23比曲线22的速度反馈收敛速度显著提升，超调量也得到了有效抑制。
图3是根据本发明一实施例的电流环前馈模型的速度反馈第二效果图。坐标系的横坐标是采样点数，采样频率可以为5kHz；坐标系的竖坐标是模拟仿真的电机速度按照3000转/分量化后的转速值，即1对应3000转/分。。曲线31为轨迹规划速度，曲线32为只叠加了驱动电流对应的速度反馈，曲线33为叠加了整形后前馈电流对应的速度反馈。如图3所示，曲线33比曲线32的速度反馈超调量更小，响应延迟也更小。
本发明的永磁同步电机的电流环前馈系统根据给定的轨迹规划速度计算出一种精准的前馈电流，该前馈电流可以抵消电流环的延迟以及震荡特性，改善速度环和位置环的响应，尤其在高速运转的工况下，可以显著提升响应速度，降低系统对PID控制器性能的依赖。
图4是根据本发明一实施例的永磁同步电机的电流环前馈控制方法的流程图。如图4所示，永磁同步电机的电流环前馈控制方法400包括如下步骤：
步骤S41：根据给定的轨迹规划速度计算出电流无延迟状态下所需要的驱动电流。可以通过如下公式计算驱动电流：
Figure BDA0003970743610000101
其中Id是驱动电流，Jt为转动惯量，ω是给定的轨迹规划速度，
Figure BDA0003970743610000102
是ω的一阶导数，a2，a1和a0是摩擦力系数。
步骤S42：根据轨迹规划速度和驱动电流计算出相位超前电流。可以通过如下公式计算相位超前电流：
Figure BDA0003970743610000103
Figure BDA0003970743610000104
其中，Idnew是相位超前电流，Id是驱动电流，Tc是电流环延迟系数，k是电流环放大系数，Jt为转动惯量，ω是轨迹规划速度，
Figure BDA0003970743610000105
是是ω的一阶导数，
Figure BDA0003970743610000106
是ω的二阶导数，a2，a1是摩擦力系数。
步骤S43：对相位超前电流进行整形获得整形后前馈电流。可以通过如下公式计算整形后前馈电流：
Figure BDA0003970743610000107
Figure BDA0003970743610000108
Figure BDA0003970743610000109
Figure BDA00039707436100001010
其中，FZV是ZV整形器的传递函数，wn是二阶模型的自然频率，ξ是阻尼系数，s是拉氏变换算子。整形后前馈电流是ZV整形器的传递函数FZV的输出。
在一些实施例中，在进入步骤S44之前，方法还包括对电流环延迟系数Tc和电流环放大系数k进行二次辨识，得到第一电流环延迟系数
Figure BDA00039707436100001011
和第一电流环放大系数knew，根据第一电流环延迟系数
Figure BDA00039707436100001012
和第一电流环放大系数knew得到整形后前馈电流。具体地，将电流环延迟系数Tc和电流环放大系数k作为参变量，并保持其他所有变量不变，其他所有变量包括转动惯量Jt、摩擦力系数a2，a1和a0、ZV整形器的传递函数的参数A1,A2,t2。得到初始前馈电流IZV(Tc,k)，随后计算出初始前馈电流IZV(Tc,k)对应的理论速度VZV_(Tc,k)。为了使其与轨迹规划速度ω之间的偏差最小，设计非线性优化问题的目标函数为：
min f(Tc，k)＝min||VZV_feed(Tc，k)-ω||
其中，f(Tc,k)为目标函数，VZV_feed(Tc,k)为理论速度，ω是轨迹规划速度，Tc是电流环延迟系数，k是电流环放大系数。
使在前馈电流开环控制下的速度响应最贴近轨迹规划速度，将一阶模型中得到的Tc与k作为初始参考值，对上述非线性优化问题进行求解，可得到第一电流环延迟系数
Figure BDA0003970743610000111
和第一电流环放大系数knew。至此，输入轨迹规划速度即可得到驱动电流，根据轨迹规划速度和驱动电流、第一电流环延迟系数
Figure BDA0003970743610000112
和第一电流环放大系数knew计算出第一相位超前电流，对第一相位超前电流进行整形即可得到整形后前馈电流。
步骤S44：将整形后前馈电流叠加到控制电流上作为电流环的电流给定。
本申请还包括一种存储有计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码在由处理器执行时实现前文所述的电流环前馈控制方法。
电流环前馈控制方法实施为计算机程序时，也可以存储在计算机可读存储介质中作为制品。例如，计算机可读存储介质可以包括但不限于磁存储设备(例如，硬盘、软盘、磁条)、光盘(例如，压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD))、智能卡和闪存设备(例如，电可擦除可编程只读存储器(EPROM)、卡、棒、键驱动)。此外，本文描述的各种存储介质能代表用于存储信息的一个或多个设备和/或其它机器可读介质。术语“机器可读介质”可以包括但不限于能存储、包含和/或承载代码和/或指令和/或数据的无线信道和各种其它介质(和/或存储介质)。
应该理解，上文所描述的实施例仅是示意。本文描述的实施例可在硬件、软件、固件、中间件、微码或者其任意组合中实现。对于硬件实现，处理器可以在一个或者多个特定用途集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器和/或设计为执行本文所述功能的其它电子单元或者其结合内实现。
本申请的一些方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。处理器可以是一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器或者其组合。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。例如，计算机可读介质可包括，但不限于，磁性存储设备(例如，硬盘、软盘、磁带……)、光盘(例如，压缩盘CD、数字多功能盘DVD……)、智能卡以及闪存设备(例如，卡、棒、键驱动器……)。
计算机可读介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等等、或合适的组合形式。计算机可读介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机可读介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、射频信号、或类似介质、或任何上述介质的组合。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述申请披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

Claims (15)

1.一种永磁同步电机的电流环前馈系统，其特征在于，包括：
电机惯量模型，用于根据给定的轨迹规划速度计算出电流无延迟状态下所需要的驱动电流；
电流环逆模型，用于根据所述轨迹规划速度和所述驱动电流计算出相位超前电流；
ZV整形器，用于对所述相位超前电流进行整形获得整形后前馈电流。
2.如权利要求1所述的电流环前馈系统，其特征在于，所述电机惯量模型为包含二次多项式摩擦力的惯量模型，表示为如下形式：
Figure FDA0003970743600000011
其中Id是所述驱动电流，Jt为转动惯量，ω是轨迹规划速度，
Figure FDA0003970743600000012
是ω的一阶导数，a2，a1和a0是摩擦力系数。
3.如权利要求2所述的电流环前馈系统，其特征在于，所述电机惯量模型的转动惯量Jt、摩擦力系数a2，a1和a0是通过无前馈测试得到的轨迹规划速度、速度反馈、电流给定和电流反馈拟合得到。
4.如权利要求1所述的电流环前馈系统，其特征在于，所述电流环逆模型表示为如下形式：
Figure FDA0003970743600000013
Figure FDA0003970743600000014
其中，Idnew是相位超前电流，Id是所述驱动电流，Tc是电流环延迟系数，k是电流环放大系数，Jt为转动惯量，ω是轨迹规划速度，
Figure FDA0003970743600000015
是ω的一阶导数，
Figure FDA0003970743600000016
是ω的二阶导数，a2，a1是摩擦力系数。
5.如权利要求4所述的电流环前馈系统，其特征在于，所述电流环逆模型的电流环延迟系数Tc和电流环放大系数k是通过无前馈测试得到的电流给定和电流反馈拟合得到。
6.如权利要求1所述的电流环前馈系统，其特征在于，所述ZV整形器表示为如下形式：
Figure FDA0003970743600000021
Figure FDA0003970743600000022
Figure FDA0003970743600000023
Figure FDA0003970743600000024
其中，FZV是所述ZV整形器的传递函数，wn是二阶系统的自然频率，ξ是阻尼系数，s是拉氏变换算子。
7.如权利要求1所述的电流环前馈系统，其特征在于，所述电流环逆模型还用于：
根据所述电流环逆模型、所述电机惯量模型和所述ZV整形器计算出初始前馈电流对应的理论速度；根据所述理论速度和所述轨迹规划速度设计目标函数；
对所述目标函数进行非线性优化求解得到所述电流环逆模型的新参数值，根据所述新参数值获得所述整形后前馈电流。
8.如权利要求7所述的电流环前馈系统，其特征在于，所述目标函数为如下形式：
minf(Tc,k)＝min||VZV_(Tc,k)-ω||
其中，f(Tc,k)为目标函数，VZV_(Tc,k)为所述理论速度，ω是轨迹规划速度，(Tc,k)为所述电流环逆模型的参数。
9.一种永磁同步电机的电流环前馈控制方法，其特征在于，包括：
根据给定的轨迹规划速度计算出电流无延迟状态下所需要的驱动电流；
根据所述轨迹规划速度和所述驱动电流计算出相位超前电流；
对所述相位超前电流进行整形获得整形后前馈电流；
将所述整形后前馈电流叠加到控制电流上作为电流环的电流给定。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过如下公式计算所述驱动电流：
Figure FDA0003970743600000031
其中Id是所述驱动电流，Jt为转动惯量，ω是轨迹规划速度，
Figure FDA0003970743600000032
是ω的一阶导数，a2，a1和a0是摩擦力系数。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过如下公式计算所述相位超前电流：
Figure FDA0003970743600000033
Figure FDA0003970743600000034
其中，Idnew是相位超前电流，Id是所述驱动电流，Tc是电流环延迟系数，k是电流环放大系数，Jt为转动惯量，ω是轨迹规划速度，
Figure FDA0003970743600000035
是是ω的一阶导数，
Figure FDA0003970743600000036
是ω的二阶导数，a2，a1是摩擦力系数。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：对所述电流环延迟系数和所述电流环放大系数进行二次辨识，得到第一电流环延迟系数和第一电流环放大系数，根据所述第一电流环延迟系数和第一电流环放大系数得到整形后前馈电流。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，对所述电流环延迟系数和所述电流环放大系数进行二次辨识包括：
将所述电流环延迟系数和所述电流环放大系数作为参变量，计算出初始前馈电流；
计算出所述初始前馈电流对应的理论速度；
根据所述理论速度和所述轨迹规划速度设计目标函数；
对所述目标函数进行非线性优化求解得到所述第一电流环延迟系数和所述第一电流环放大系数。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述目标函数为如下形式：
minf(Tc,k)＝min||VZV_(Tc,k)-ω||
其中，f(Tc,k)为目标函数，VZV_(Tc,k)为所述理论速度，ω是轨迹规划速度，Tc是电流环延迟系数，k是电流环放大系数。
15.一种存储有计算机程序代码的计算机可读介质，所述计算机程序代码在由处理器执行时实现如权利要求9-14任一项所述的方法。
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