CN116073709A

CN116073709A - 永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法及电子设备

Info

Publication number: CN116073709A
Application number: CN202211731240.XA
Authority: CN
Inventors: 黎枭; 石然; 陈增昊; 吴鹏飞; 陈景元; 聂周
Original assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority date: 2022-12-30
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2023-05-05

Abstract

本发明公开了永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法及电子设备，根据矢量控制算法建立无干扰力矩的控制模型，在未引入干扰力矩时，建立电流环、速度环仿真模型和控制流程，调整电流环、速度环的参数，使时域波形与仿真相似，达到永磁同步电机直接驱动的目的。引入干扰源，建立干扰力矩信号流程；在干扰力矩的基础上建立抗干扰力矩仿真模型，推导抗干扰力矩的传递函数，达到一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩目的，并在通用电子设备实现永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法。

Description

永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法及电子设备

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，特别涉及永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法及电子设备。

背景技术

在高精度、高稳定度的星载多维转台直接驱动控制系统中，因可靠性原因不能使用滑环，故载荷、热控实施和永磁同步电机所搭配使用的电缆较多，且在太空中多数裸露在外的线缆需要屏蔽层包覆，有利于线缆在高低温、强辐射、重力等多物理场耦合作用下不容易失效，但是包覆后线缆会变得异常坚硬粗、重。在载荷进行多维的转动时，有多束电缆随着一起转动，此时电缆作用会对载荷产生干扰力矩，粗重线缆对运动机构产生的非线性干扰不可忽略，造成机构在多轴运动过程中，搭载线缆对机构的干扰力矩会导致在特定位置处产生震荡，该干扰力矩是动态变化、且呈现非线性变化，严重影响作业精度。所以需要设计一种基于永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法来克服此种干扰力矩的动态变化。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法及电子设备，其适合所有永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩的产品，即通过对Q轴电流的测量，从而获得电缆干扰力矩和多轴运动时的干扰力矩变化，可以得到对干扰力矩有很高抑制能力的驱动控制器，从而达到工程型号的高精度、高稳定度的技术指标要求。

为了实现以上目的，本发明拟通过以下技术方案实现：

本发明公开了一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法，包括：

步骤S1：根据矢量控制算法建立无干扰力矩控制模型；

步骤S2：对无干扰力矩控制模型进行仿真，得到无干扰仿真结果；

步骤S3：计算无干扰仿真结果与实际测试结果的速度误差，判断速度误差最大值是否小于M1，若否，调整电流环、速度环参数，重复步骤S2；若是，则进入步骤S4；

步骤S4：建立干扰源模型，将干扰源模型加载到无干扰力矩控制模型上，得到有干扰力矩控制模型；

步骤S5：对有干扰力矩控制模型进行仿真，得到有干扰仿真结果；

步骤S6：计算有干扰仿真结果与步骤S2中的无干扰仿真结果的速度误差最大值，判断速度误差最大值是否小于M2，若否，调整有干扰力矩控制模型，重复步骤S5；若是，则得到有干扰力矩控制模型，结束。

在上述干扰力矩方法中，所述步骤S1中，根据矢量控制算法建立无干扰力矩控制模型，具体方法为：

建立电流环传递函数；

根据电流环传递函数，得到速度环PDFF传递函数，具体为：

式中，w_f(s)为复频域角速度反馈；k_FVR为角速度前馈增益；k_VP为速度环比例；k_VI为速度环积分；w_C(s)为复频域角速度命令；J为总转动惯量；k_T为电机力矩常数。

在上述干扰力矩方法中，所述建立电流环传递函数，具体为：

式中，I_F(s)为复频域q轴电流反馈；k_IP为电流环比例；k_II为电流环积分；I_C(s)为复频域q轴电流命令；L_p为电机相电感；u_DC为逆变端母线中心电压；R_s为电机相电阻r_p及采样电阻r_s之和。

在上述干扰力矩方法中，所述步骤S3中，M1为20～40码字。

在上述干扰力矩方法中，所述步骤S6中，M2为400～550码字。

在上述干扰力矩方法中，所述步骤S4中，建立干扰源模型，具体为:

式中，ω_F为测量的角速度，T_D为干扰力矩，J为机械和电机的总惯量，k_VP为速度环比例，k_VI为速度环积分，K_T为电机力矩常数。

在上述干扰力矩方法中，所述将干扰源模型加载到无干扰力矩控制模型上，得到有干扰力矩控制模型，具体为：

式中，T_D为组合干扰力矩，ω_F为通过角度传感器获得的角速度，K_T为电机力矩常数，J为机械和电机转子总转动惯量，K_DD为干扰力矩前馈支路增益；K_VP为速度环比例，K_VI为速度环积分。

在上述干扰力矩方法中，所述速度环比例K_VP＝12～20。

在上述干扰力矩方法中，所述速度环积分K_VI＝40～60。

一种电子设备，其特征在于：包括处理器、存储器和通信总线，其中所述处理器、所述存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器用于存储程序；

所述处理器，用于处理：

步骤S1：根据矢量控制算法建立无干扰力矩控制模型；

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明采用了一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法，通过干扰力矩控制模型和传递函数建立与预仿真的技术方案，实现干扰力矩的精确预估控制；

(2)本发明通过2阶低通滤波代替干扰传递函数，实现了干扰力矩的快速抑制效果；

(3)本发明采取的抗干扰方法能克服外界动态变化的干扰力矩，保证了多维机构解决因电缆、多轴驱动耦合和温度变化等引起干扰力矩动态变化导致机构无法正常稳定运行的情况，从而使得机构能以高精度、高稳定度的性能正常运行，实现与无干扰力矩下同样的控制效果。

附图说明

图1是本发明在未引入干扰力矩时的电流环信号流图；

图2是本发明在未引入干扰力矩时的经整定后的电流环信号流程图；

图3是本发明在未引入干扰力矩时的电流环频域波形图；

图4是本发明在未引入干扰力矩时的速度环PDFF校正信号流程图；

图5是本发明在未引入干扰力矩时输入梯形波的速度环PDFF时域仿真波形图；

图6是本发明在未引入干扰力矩时输入方波的速度环PDFF时域仿真波形图；

图7是本发明在未引入干扰力矩时的速度环PDFF频域仿真波形图；

图8是本发明在未引入干扰力矩时的电流环实际运行结果；

图9是本发明在未引入干扰力矩时的实际运行下速度反馈梯形波形；

图10是本发明在未引入干扰力矩时的实际运行下速度反馈方波波形；

图11是本发明干扰力矩信号流图；

图12是本发明引入干扰后速度环运行情况(实验1)；

图13是本发明引入干扰后速度环运行情况(实验2)；

图14是本发明抗干扰力矩信号流图；

图15是本发明安装电缆加抑制干扰支路实际结果；

图16是本发明安装电缆加抑制干扰支路的实际结果；

图17是本发明一种电子设备的结构框图；

图18是本发明流程图。

具体实施方式

以下结合附图1至18和具体实施方式对本发明提出的一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法作进一步详细说明。

根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

如图18所示，本发明公开了一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法，包括：

步骤S1：根据矢量控制算法建立无干扰力矩控制模型；

步骤S3：计算无干扰仿真结果与实际测试结果的速度误差，判断速度误差最大值是否小于M1，若否，调整电流环、速度环参数，重复步骤S2；若是，则进入步骤4；M1为当速度环采用梯形加速模式时，速度误差峰值接近20个码字时，认为已达到了仿真要求，此时关注匀速段的速度误差，就是控制体系统的实际指标；M1为20～40码字；

步骤S6：计算有干扰仿真结果与步骤S2中的无干扰仿真结果的速度误差最大值，判断速度误差最大值是否小于M2，若否，调整干扰力矩控制模型，重复步骤S5；若是，则得到有干扰力矩控制模型，结束；M2为当速度环采用阶跃模式时，速度误差峰什接近500码字，此时认为已达到仿真要求，统计匀速段的速度误差，就是控制系统的实际指标；M2为400～550码字。

步骤S1中，根据矢量控制算法建立无干扰力矩控制模型，具体的电流环传递函数:

建立电流环传递函数，具体为：

其中，I_F(s)是复频域q轴电流反馈，k_IP为电流环比例，k_II为电流环积分，I_C(s)为复频域q轴电流命令，L_p电机相电感23.5mH，u_DC为逆变端母线中心电压15.5V，R_S电机相电阻r_p及采样电阻之和7.3Ω，电机相电阻r_p＝7Ω，采样电阻r_s＝0.3Ω。当式1取如下值时：

K_IP＝8；K_II＝300；u_DC＝15.5V；

可将式1传递函数归一化处理:

速度环PDFF传递函数:

式中：w_f(s)为复频域角速度反馈；k_FVR为角速度前馈增益；k_VP为速度环比例；k_VI为速度环积分；w_C(s)为复频域角速度命令；J为总转动惯量；k_T为电机力矩常数。

建立干扰源模型，具体的其传递函数为:

式中，ω_m为机械角速度，ω_F为测量的角速度，ω_C为机械角速度命令，T_m为机械力矩，T_E为电机电磁力矩，T_D为干扰力矩，J为机械和电机的总惯量，k_VP为速度环比例，k_VI为速度环积分，K_T为电机力矩常数。速度环比例K_VP＝12～20，速度环积分K_VI＝40～60。

将式4组合可以推得:

将干扰源模型加载到无干扰力矩控制模型上，得到有干扰力矩控制模型，具体为：力矩前馈支路:G_D(s)是带宽约1200Hz的低通滤波器，推导传递函数时，就用单位增益“1”来代替；此外电流环也等效于1个低通滤波器，其传递函数具体如下：

设定速度命令ω_C＝0；G_D(s)＝1；伪力矩系数K_set＝电机力矩系数K_T；

I_C为电流环电流命令，I_F为电流环电流反馈；

其中，G_D(s)为前馈支路低通滤波传递函数，T_E为电磁力矩，T_D为电线和摩擦等组合干扰力矩，ω_F为角度传感器获得的角速度，K_T为电机力矩常数，J机械和电机转子总转动惯量，K_DD为干扰力矩前馈支路增益，K_VP为速度环比例，K_VI为速度环积分。

本发明在没有影响控制系统的稳定裕度的情况下，增加对干扰力矩快速抑制能力；没有影响控制系统的稳定裕度，尤其是幅度裕度没有变化；虽然干扰力矩随着角度而呈现出非线性，但是重复性较好，则可以用软件多次求平均的方法获得基于角度的干扰力矩包络线；将结果做成表格，存在程序中，如此节省了低通滤波器的程序资源和运算时间开销；大大地增加对干扰力矩的快速响应，可以得到较为满意的结果。

本发明公开了一种电子设备，包括处理器301、存储器303和通信总线304，其中处理器301、存储器303通过通信总线304完成相互间的通信；存储器303用于存储程序；

处理器301，用于处理：

步骤S1：根据矢量控制算法建立无干扰力矩控制模型；

步骤S3：计算无干扰仿真结果与实际测试结果的速度误差，判断速度误差最大值是否小于M1，若否，调整电流环、速度环参数，重复步骤S2；若是，则进入步骤4；M1为20～40码字；

步骤S6：计算有干扰仿真结果与步骤S2中的无干扰仿真结果的速度误差最大值，判断速度误差最大值是否小于M2，若否，调整干扰力矩控制模型，重复步骤S5；若是，则得到有干扰力矩控制模型，结束；M2为400～550码字。

通信总线304可以是外设部件互连标准Peripheral Component Interconnect，PCI总线或扩展工业标准结构Extended Industry Standard Architecture，EISA总线等。该通信总线304可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。可在此通用电子设备，可以实现永磁同步电机直接驱动控制干扰力矩的快速抑制。

实施例

本实施例一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法优选例，结合图1～图18进行说明：

如图1～图3所示，本发明一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法，需要先根据矢量控制算法，在未引入干扰力矩时，建立电流环、速度环仿真模型和控制流程，具体的电机电枢绕组由电感和电阻组成，因而具有复数阻抗L_s+R形式。电压施加在电机电枢上产生激磁电流时表现为1阶惯性环节，具有1个负的实极点，其时间常数τ由LR决定，通常达几十毫秒。该环节对阶跃电流指令的响应是一个缓慢的爬升过程，需要3τ～5τ才能达到稳态值，为了提高响应速度(带宽)，同时对电流极限值作出限制，并抑制直流供电电源波动引起的电流波动，需要引入电流校正环节。

电流校正环节采用典型的比例－积分(PI)控制环节，电流指令I_c与电流反馈I_F之差为误差信号，经过PI校正后施加在电机电枢上。根据电机”Y”型接法、电机线电阻和线电感，以及PI参数推导得到电流的传递函数，画出信号流程图，建立数学模型，按信号流程的方式对传递函数进行整定，得到标准的形式，在MATLAB中重建信号流图，得到附图3所示，可见它-3dB带宽在800Hz以上；相位是-42°。

如图4～图7所示，电流环以带宽为800Hz的低通滤波器代替，建立速度环信号流程图，速度环使用伪微分的PI控制简称“PDFF”，根据经验速度环的带宽远低于电流环带宽，通常在20Hz左右，因此为了简化分析将电流环等效于单位增益“1”，得到速度环传递函数，此传递函数为1个2阶系统。分别得到速度环时域波形，从频域可见速度环的-3dB带宽是22.6Hz，相位滞后约23.3度，传递函数如下：

b₁＝K_VP·K_VFR·K_T/J b₀＝K_VP·K_VI·K_T/J

a₁＝K_VP·K_T/J a₀＝K_VP·K_VI·K_T/J

其中，ω_m(s)机械角速度反馈，ω_C(s)机械角速度命令，K_T电机力矩常数，K_VP速度环比例，K_VI速度环积分，K_VFR角速度前馈增益，J总转动惯量；

标准化处理后是2阶系统：a₁标准化分母系数1，b₁标准化分子系数1，a₀标准化分母系数2，b₀标准化分子系数2。

其取值可为：

K_VP＝12；K_VI＝40；K_VFR＝0.65；

K≈1N·m/Amp；J＝0.024kg·m²；

b₁＝K_VP·K_VFR·K_T/J＝325；b₀＝K_VP·K_VI·K_T/J＝20000；

a₁＝K_VP·K_T/J＝500；a₀＝K_VP·K_VI·K_T/J＝20000；

将以上各参数代入仿真模型，可以得到时域波形和频域波形，

如图8～图10所示，本发明一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法，需要先根据矢量控制算法，在未引入干扰力矩时，实际跟踪曲线。调整电流环、速度环的参数，使时域波形与仿真相似。经调整后得到速度环的波形和速度误差，达到永磁同步电机直接驱动的目的，速度反馈和速度误差曲线与仿真一致。

如图11～图13所示，本发明一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法，引入干扰源，建立干扰力矩信号流程；多维机构除角度传感器和电机的电缆外，不安装其它任何电缆尽量减少额外的不确定干扰力矩，多维机构安装所有需要的电缆，参数不作任何调整，可得到速度环的波形，并可能伴随“啸叫”，从附图12～图13可见速度反馈存在许多“云朵”状的高频噪声。速度反馈的“云状”几乎是重复出现，这是由于电缆干扰力矩非线性所致。对速度反馈“云状”波形进行频谱分析，高频干扰很明显。因此必须同步测量两个变量(θ_f i_sq)，经过多次采样，得到基于角度的Q轴电流的均值。将多次测量得到的均值(θ_f i_sq)做成表格，加入控制系统中，再运行速度环，得到速度反馈波形，可以看见波形明显变好，而且之前伴随电机“啸叫”消除。

如图14、图15、图16所示，本发明一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法，建立抗干扰力矩仿真模型，推导抗干扰力矩的传递函数，在实际系统中达到一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩目的。设计一个低频滤波器加入控制系统中，再运行速度环，得到速度反馈波形，“云状”基本上消除，而且无“啸叫”。这就说明此滤波的作用与之前的Q轴电流的表格等效。在上述干扰力矩的传递函数基础上增加一个快速抑制通道；增加了抑制通道后得到新的干扰力矩的传递函数；设计了一个2阶IIR数字低通滤波器LPF来代替。该滤波器的带宽约为1200Hz，要远大于电流环带宽800Hz。

由此可知，本发明所提供的一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法，能克服因外界带来的干扰力矩动态变化，从而保证了多维机构因受到线缆等干扰力矩变化依然可以实现稳定运行。

如图17所示，本发明一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法，使用一种电子设备实现如上文所述的一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法。所述电子设备包括处理器301和存储器303，所述存储器303上存储有计算机程序构成。本实施例提供的电子设备，可以实现基于永磁同步电机直接驱动控制干扰力矩的快速抑制，解决了传统因电缆、多轴驱动耦合和温度变化等引起干扰力矩动态变化导致机构无法正常稳定运行的问题，从而保证了机构仍能以高精度、高稳定度的性能正常运行。

如图17所示，所述电子设备还包括通信接口302和通信总线304，其中所述处理器301、所述通信接口302、所述存储器303通过通信总线304完成相互间的通信。所述通信总线304可以是外设部件互连标准(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry Standard Architecture，EISA)总线等。该通信总线304可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。所述通信接口302用于上述电子设备与其他设备之间的通信。

本发明一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法中，可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本实施例操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、Smalltalk、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图/流程图中的每个方框、以及框图/流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

综上所述，本发明提供了一种永磁同步电机直接驱动控制的抗干扰力矩方法，能实现对干扰力矩快速抑制能力，解决传统驱动控制受干扰力矩动态变化而无法正常稳定运行情况，从而保证了运动机构受干扰力矩等恶劣工况条件下依然可以实现高精度、高稳定度运行。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。而在本发明的启示下，其他人员也可以做出与本发明相似的设计或对本发明做出修改以及某个构件的等同替换。特别需要指出的是，只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的改变以及具有等同替换的相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。