高动态电机伺服控制系统的延时补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高动态电机伺服控制系统的延时补偿方法，包含以下步骤：获取当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息；获取前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息；根据当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息和前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息对下一个控制周期采样时刻的电机空间控制矢量进行补偿，完成高动态电机伺服控制系统的延时补偿。本发明专利技术通过减小程序计算延时造成的电机控制系统数据计算误差，从而有效改善电动舵机高动态响应性能和提高电机的效率；通过采用位置环、速度环和电流环三闭环的系统，实现电动舵机系统高动态稳定控制。

【技术实现步骤摘要】
高动态电机伺服控制系统的延时补偿方法
本专利技术涉及应用于电动舵机伺服系统的电机控制
，具体涉及一种高动态电机伺服控制系统的延时补偿方法。
技术介绍
随着电机控制技术和电力电子技术的发展，电动舵机伺服系统所使用的电机逐渐从直流电机向交流同步电机发展。永磁电机具有体积小、效率高、损耗低等优点，非常适合高精度的电动舵机伺服控制领域。在实际应用过程中，电动舵机要求电机在零速和最高速度之间满足高频动态响应要求，常规控制算法很难使电机既满足低速平稳控制又满足高频动态响应，通常需要针对实际工况对控制算法做一些优化调整。电机控制系统本身是惯性延时系统，随着控制指令频率和幅值的提高，反馈响应曲线幅值会出现较大的衰减和相位出现明显滞后，现有技术中的方法消除系统延时对于电动舵机系统高频动态响应的影响，因此，急需改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高动态电机伺服控制系统的延时补偿方法，通过减小程序计算延时造成的电机控制系统数据计算误差，从而有效改善电动舵机高动态响应性能和提高电机的效率；通过采用位置环、速度环和电流环三闭环的系统，实现电动舵机系统高动态稳定控制。为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种高动态电机伺服控制系统的延时补偿方法，其特点是，包含以下步骤：获取前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息；获取当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息；根据前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息和当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息对下一个控制周期采样时刻的电机空间控制矢量进行补偿，完成高动态电机伺服控制系统的延时补偿。所述的前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息包含前一个控制周期采样时刻的电机转子位置信息、前一个控制周期采样时刻的电机转子转速信息及前一个控制周期采样时刻的相电流信息。所述的当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息包含当前控制周期采样时刻的电机转子位置信息、当前控制周期采样时刻的电机转子转速信息及当前控制周期采样时刻的电机相电流信息。所述的对下一个控制周期采样时刻的电机空间控制矢量进行补偿包含对下一个控制周期采样时刻的电机转子位置信息进行补偿和对下一个控制周期采样时刻的电机相电流信息进行补偿。所述的对下一个控制周期采样时刻的电机转子位置信息进行补偿采用如下公式：Δt＝t(n)-t(n-1)式中，t(n)表示当前控制周期采样时刻，t(n-1)表示前一个控制周期采样时刻，Δt表示预设的功率管开关周期，即控制周期，表示数字信号处理器运行控制算法解算结果作用于电机时，电机转子的在下一个控制周期采样时刻t(n+1)的期望位置，即对当前转子位置补偿后的转子位置，θ(n)表示当前控制周期采样时刻采样得到的电机转子位置，ω(n)表示当前控制周期采样时刻采样得到的电机转子转速，ω(n-1)表示前一个控制周期采样时刻t(n-1)采样得到的电机转子转速。所述的电机转子滞后角度的计算公式如下：Δθ＝6*10-6P*n*Δtn＝P*ω式中，Δθ表示一个控制周期内电机转子转过的电角度，Δt表示预设的功率管开关周期，即控制周期，P表示电机的极对数，n表示电机的转速，ω表示电机转子的电气角速度。所述的对下一个控制周期采样时刻的电机相电流信息进行补偿采用如下公式：式中，vx(n)是相邻两个控制周期采样时刻(t(n-1)和t(n))的x(x＝a、b、c)相的电机相电流的增量速率,vx(n-1)是相邻两个控制周期采样时刻(t(n-2)和t(n-1))的x(x＝a、b、c)相的电机相电流的增量速率,是下一个控制周期t(n+1)采样时刻的电机相电流的期望值，即经过补偿后的电机相电流值，分别为经过补偿后的a、b、c三相的电机相电流的期望值，其大小应满足三相相电流的和为零，ix(n)是当前控制周期t(n)采样时刻采样得到的电机相电流的信息，i(n-1)是前一个控制周期t(n-1)采样时刻采样得到的电机相电流的信息，ai(n)是当前控制周期t(n)采样时刻采样得到的电机相电流增量速率的变化率。本专利技术一种高动态电机伺服控制系统的延时补偿方法与现有技术相比具有以下优点：本专利技术考虑了弥补由于程序运行延时对于电机控制性能的影响，减小高频运动时控制延时造成的转子位置误差；本专利技术提高了高频响应时参与算法运算的相电流精度；本专利技术使作用于电机系统的控制矢量更加精确，减小了高频响应时电机发热，提高了舵机系统的效率；本专利技术改善了高频响应时的动态性能，提高了同频率条件下电机的幅频特性。附图说明图1为本专利技术一种高动态电机伺服控制系统的延时补偿方法的流程图；图2为电机空间矢量控制算法的原理图；图3为采样数据和转速的变化关系示意图；图4为电机在DQ坐标系下的数学模型示意图。具体实施方式以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本专利技术做进一步阐述。如图1所示，一种高动态电机伺服控制系统的延时补偿方法，包含以下步骤：S1、获取当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息。S2、获取前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息。S3、根据当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息和前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息对下一个控制周期采样时刻的电机空间控制矢量进行补偿，完成高动态电机伺服控制系统的延时补偿。高动态电机空间矢量控制需要电机准确的相电流信息和转子位置信息。具体来说，电机控制延时补偿主要对电机转子位置的采样信息进行补偿和电机相电流采样信息进行补偿，其基本原理如下：电机控制系统是基于采样的数字系统(电机数控器)对于连续系统(实际的电机)的控制。电机系统各项参数是连续的(如电机相电流数据、转子位置数据、转矩数据等)，数字系统对连续系统的采样，然后进行一定的算法处理，最后实现对于连续系统的控制。信号处理器对于算法的运算具有周期性(非连续性)，该非连续性使采样数据(电机的相电流数据ia、ib和电机转子位置数据θ)和空间矢量解算功率管开关的占空比数据之间至少存在一个控制周期(Δt)的延时(不包含系统硬件延时)。该延时引起的误差，常常导致控制不准确，引起电机高频动态响应时发热效率降低、相位滞后严重和幅值衰减较大，从而影响了舵机系统的性能。如图2所示，舵机系统用电机空间矢量控制算法原理图，舵机系统采用位置环、速度环和电流环三闭环的系统进行控制，其中位置环是舵机系统给定位置指令和位置反馈构成的闭环，Δp是舵机系统位置闭环偏差量(即舵机系统期望位置指令和实际位置反馈偏差信号)。Δp经过比例积分调节后，输出量作为电机速度闭环的参考值ω*。速度环实现舵机系统根据位置偏差信号快速调节电机的目的，由转子期望转速ω*和转子位置反馈速度偏差做比例调节，并将输出量作为电流闭环的期望输入电流环采用id＝0的空间矢量控制方式。从图1中可以看出整个控制算法运行需要采集电机的相电流数据ia(n)、ib(n)和转子位置数据θ(n)和电机转速为ω(n)。在固定采样间隔Δt(控制周期)条件下，当前控制周期t(n)采样时刻和下一控制周期t(n+1)采样时刻预期数据之间存在误差，并且这种延时误差会随着转速的升高而变大，如图3所示。参考图4，相电流数据ia(n)、ib(n)和当前时刻的转子位置数据θ(n)进行空间矢量坐标变换能够得到电机在DQ坐标系下的数学模型id(n)、iq(n)，此时合成电流矢量为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高动态电机伺服控制系统的延时补偿方法，其特征在于，包含以下步骤：获取前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息；获取当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息；根据前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息和当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息对下一个控制周期采样时刻的电机空间控制矢量进行补偿，完成高动态电机伺服控制系统的延时补偿。

【技术特征摘要】
1.一种高动态电机伺服控制系统的延时补偿方法，其特征在于，包含以下步骤：获取前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息；获取当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息；根据前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息和当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息对下一个控制周期采样时刻的电机空间控制矢量进行补偿，完成高动态电机伺服控制系统的延时补偿。2.如权利要求1所述的延时补偿方法，其特征在于，所述的前一个控制周期采样时刻的电机运动状态信息包含前一个控制周期采样时刻的电机转子位置信息、前一个控制周期采样时刻的电机转子转速信息及前一个控制周期采样时刻的相电流信息。3.如权利要求1所述的延时补偿方法，其特征在于，所述的当前控制周期采样时刻的电机运动状态信息包含当前控制周期采样时刻的电机转子位置信息、当前控制周期采样时刻的电机转子转速信息及当前控制周期采样时刻的电机相电流信息。4.如权利要求1所述的延时补偿方法，其特征在于，所述的对下一个控制周期采样时刻的电机空间控制矢量进行补偿包含对下一个控制周期采样时刻的电机转子位置信息进行补偿和对下一个控制周期采样时刻的电机相电流信息进行补偿。5.如权利要求4所述的延时补偿方法，其特征在于，所述的对下一个控制周期采样时刻的电机转子位置信息进行补偿采用如下公式：Δt＝t(n)-t(n-1)式中，t(n)表示当前控制周期采样时刻，t(n-1)表示前一个控制周期采样时刻，Δt表示预设的功率管开关周期，即控制周期，表示数字信号处理器运行控制算法解算结果作用于电机时，电机转子的在下一个控制周期采样时刻t(n+1)的期望位置，即对当前转子位置补偿后的转子位置，θ(n)表示当前控制周...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，汤伟，张军，苏伟杰，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31