CN115913021A - 一种抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法 - Google Patents

一种抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法 Download PDF

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张维
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Chongqing Changan Industry Group Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法。该方法先通过卡尔曼滤波模块抑制速度编码器中的白噪声干扰，再采用含陷波滤波器和低通滤波器的电流补偿模块来抑制电流环的周期性谐波和干扰，提高稳态时速度的精度。在此基础上，利用速度补偿模块对速度环过大超调量进行抑制，通过卡尔曼观测器和双环补偿器抑制速度传感器白噪声，减小速度环超调量，减小速度稳态抖振。该方法包括如下步骤：1)抑制速度传感器测量噪声；2)抑制电流环周期性谐波；3)抑制电流偏移和增益误差；4)抑制速度环反馈超调。本发明利用含卡尔曼观测器的双环路补偿算法，比传统的永磁同步电机控制方法有更高的准确性和抗噪声的能力。

Description

一种抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法
技术领域
本发明涉及抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法，属于电机控制领域。
背景技术
近年来，随着不可再生能源的短缺和人们对内燃机持续排放污染的日益重视，发展节能环保的电机成为许多国家的重要发展战略。永磁同步电机(PMSM)因其结构紧凑，高效率，转矩惯量比大和功率密度高等优点在工业机器人、高精度机床等电机伺服系统中得到了广泛的应用。
然而永磁同步电机中存在例如磁链谐波等引起的周期性转矩脉动，以及传感器测量白噪声等扰动因素。永磁同步电机速度跟踪性能对这些因素非常敏感，容易产生速度抖振使跟踪效果变差。所以抑制永磁同步电机中的扰动因素对实现伺服系统高精度跟踪能力具有重要的意义。
为了有效抑制传感器噪声和周期性转矩脉动，有必要设计性能优良的滤波器和补偿算法。在之前的噪声抑制和补偿算法研究中，在电流环中仅采用低通滤波器补偿电流时容易忽略低通滤波器带宽内的谐波因素，而仅采用陷波滤波器时难以消除特定谐波因素外的其它干扰，并且速度超调较大，还有一些观测器设计复杂，速度跟踪精度较低等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法，克服背景技术中提到的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法，包括如下步骤：
步骤1，利用卡尔曼观测器对速度反馈信号进行滤波以抑制速度传感器测量噪声；
步骤2，利用自适应陷波滤波器抑制电流环周期性谐波；
步骤3，利用电流环低通滤波补偿器抑制电流偏移和增益误差；
步骤4，利用速度环低通滤波补偿器抑制速度环反馈超调；
步骤5，调节含卡尔曼滤波器的双环补偿器参数使系统取得更好的性能。
所述速度传感器为编码器，测量噪声普遍为白噪声，采用卡尔曼观测器对反馈速度进行滤波，初步得到没有噪声干扰的系统速度环反馈；包括以下流程：建立永磁同步电机方程，存在传感器测量误差和外部白噪声干扰的速度方程，实际输入电流信号方程。建立卡尔曼观测器减小系统受到的外界噪声干扰，通过卡尔曼观测器滤波后的速度信号抑制了测量噪声。
所述利用自适应陷波滤波器抑制电流环周期性谐波指：建立转矩脉动模型，采用自适应陷波滤波器对电流进行滤波，可以对存在于系统电流环中六和六的倍数次周期性谐波进行滤波抑制转矩脉动。
所述利用电流环低通滤波补偿器抑制电流偏移和增益误差指，对电流偏移和增益误建模，采用低通滤波补偿器对电流环反馈回路存在的电流偏移和增益误差进行估计补偿，电流环补偿为：将产生的主q轴参考电流减去补偿电流，得到改进的q轴电流
所述的利用速度环低通滤波补偿器抑制速度环反馈超调是指：采用低通滤波补偿器对速度环反馈回路存在的过大超调量进行补偿，速度环补偿为：将给定的参考速度减去补偿速度，得到改进的速度。
所述的调节卡尔曼和系统参数是指：分别调节卡尔曼滤波器的过程噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵达到最优滤波效果，调节补偿器中低通滤波器的截止频率来控制超调量的大小，调节陷波滤波器陷波系数来控制陷波滤波深度。
附图说明
图1是本发明中使用抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法进行速度环噪声信号滤波，超调量抑制，电流环电流偏移和正义误差的抑制，参数优化的模型示意图。
图2是本发明中采用了抑制转矩脉动和测量噪声的双环补偿算法的永磁同步电机伺服系统整体控制系统的模型图。
图3是本发明中抑制转矩脉动和测量噪声的双环补偿器的模型图。
图4是本发明中包括速度和电流控制器模块，速度和电流信号测量模块，速度环和电流环补偿模块和卡尔曼滤波环节的控制模型示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，用于解释本发明，不能解释为对本发明的限制。
建立如下永磁同步电机方程：
Figure BDA0003633270200000021
其中，iq是定子电流q轴分量,ω是机械角速度,θ是转子位置，f摩擦系数，KT是转矩常数，J是转动惯量，TL是负载转矩。
由于存在传感器测量误差和外部白噪声干扰，定义如下变量：
ωr＝ω+ξ
ωr是编码器测量到的速度，ξ为速度传感器白噪声。经过上述分析，电机的速度方程改写为:
Figure BDA0003633270200000022
其中，
Figure BDA0003633270200000031
表示实际输入电流信号，w(t)和r(t)分别代表系统过程噪声，速度传感器测量噪声。整体的控制环路如图2所示。
利用卡尔曼观测器可以有效地减小系统受到的外界噪声干扰，卡尔曼观测器的迭代方法可以表示为：
Figure BDA0003633270200000032
其中，x(k|k)和P(k|k)分别为第kTS时刻状态变量及其误差协方差的后验估计值，x(k|k-1)和P(k|k-1)分别为测量更新前的状态估计和误差协方差的前验估计值，I为单位矩阵；K(k)和err(k)分别为观测信号的增益矩阵和误差。这些值更新如下：
Figure BDA0003633270200000033
由于周期性磁链产生的谐波以第6次谐波，第12次谐波和其他6次谐波的倍数出现，产生转矩脉动：
Figure BDA0003633270200000034
其中，T6i是6ith次转矩脉动幅值，T0是直流分量。
双环补偿环节框图如图3所示，整体控制框图如图4所示，双环补偿器包括速度环和电流环补偿模块和卡尔曼滤波环节，将卡尔曼观测器处理后的速度信号分别反馈给自适应陷波滤波器和速度补偿环节，并分别对电流环和速度环设计了补偿方法。电流环补偿：为抵消掉存在于系统中周期性磁链产生的6th谐波对速度造成的抖振影响，采用自适应陷波滤波器对电流进行滤波。自适应陷波滤波器的传递函数表示为：
Figure BDA0003633270200000035
其中，
Figure BDA0003633270200000036
为观测器得到的速度值，σ为陷波系数，h为主要谐波的阶数。通过陷波滤波器可以滤除电流环中的周期性谐波。
为了减小运行时的速度纹波，在使用陷波滤波器消除谐波的同时采用由低通滤波器等效的高通滤波器识别电流扰动，对q轴电流参考值进行修正。因此，这些低频干扰和谐波被内部PI控制器适当地抑制：
Figure BDA0003633270200000037
Figure BDA0003633270200000038
其中，
Figure BDA0003633270200000039
是对电流干扰的估计值，将由速度环产生的主q轴参考电流
Figure BDA00036332702000000310
减去补偿电流
Figure BDA0003633270200000041
得到改进的q轴电流
Figure BDA0003633270200000042
陷波系数σ，电流补偿系数
Figure BDA0003633270200000043
和低通滤波器截止频率τi应被正确设计生成一个适当的补偿信号
Figure BDA0003633270200000044
将该补偿信号输入电流环控制器；
补偿块提供补偿速度。将给定参考速度ωref减去速度环输出产生的补偿电流ωcom，得到改进的速度
Figure BDA0003633270200000045
Figure BDA0003633270200000046
Figure BDA0003633270200000047
Figure BDA0003633270200000048
其中，
Figure BDA0003633270200000049
分别是补偿增益，ωref为给定速度ωref＝ω*，
Figure BDA00036332702000000410
是对速度扰动的估计值，ωcom是干扰补偿，当取
Figure BDA00036332702000000411
时
Figure BDA00036332702000000412
速度补偿系数
Figure BDA00036332702000000413
和低通滤波器截止频率τω应该正确设计生成一个适当的补偿信号ωcom，将该补偿信号输入速度环控制器。
根据实际效果调节各环节的滤波参数以达到最优的干扰抑制效果。
显然，本发明的上述实施实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，利用卡尔曼观测器对速度反馈信号进行滤波以抑制速度传感器测量噪声；
步骤2，利用自适应陷波滤波器抑制电流环周期性谐波；
步骤3，利用电流环低通滤波补偿器抑制电流偏移和增益误差；
步骤4，利用速度环低通滤波补偿器抑制速度环反馈超调；
步骤5，调节含卡尔曼滤波器的双环补偿器参数使系统取得更好的性能。
2.根据权利要求1所述抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法，其特征在于：步骤1所述速度传感器为编码器，测量噪声普遍为白噪声，采用卡尔曼观测器对反馈速度进行滤波，初步得到没有噪声干扰的系统速度环反馈；包括以下流程：建立永磁同步电机方程，存在传感器测量误差和外部白噪声干扰的速度方程，实际输入电流信号方程。建立卡尔曼观测器减小系统受到的外界噪声干扰，通过卡尔曼观测器滤波后的速度信号抑制了测量噪声。
3.根据权利要求1所述抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法，其特征在于：步骤2所述利用自适应陷波滤波器抑制电流环周期性谐波指：建立转矩脉动模型，采用自适应陷波滤波器对电流进行滤波，可以对存在于系统电流环中六和六的倍数次周期性谐波进行滤波抑制转矩脉动。
4.根据权利要求1所述抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法，其特征在于：步骤3所述利用电流环低通滤波补偿器抑制电流偏移和增益误差指，对电流偏移和增益误建模，采用低通滤波补偿器对电流环反馈回路存在的电流偏移和增益误差进行估计补偿，电流环补偿为：将产生的主q轴参考电流减去补偿电流，得到改进的q轴电流。
5.根据权利要求1所述抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法，其特征在于：步骤4所述的利用速度环低通滤波补偿器抑制速度环反馈超调是指：采用低通滤波补偿器对速度环反馈回路存在的过大超调量进行补偿，速度环补偿为：将给定的参考速度减去补偿速度，得到改进的速度。
6.根据权利要求1所述抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动和测量噪声的双环补偿方法，其特征在于：步骤5所述的调节卡尔曼和系统参数是指：分别调节卡尔曼滤波器的过程噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵达到最优滤波效果，调节补偿器中低通滤波器的截止频率来控制超调量的大小，调节陷波滤波器陷波系数来控制陷波滤波深度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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