一种基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例涉及一种基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法及装置，用于提高交流伺服驱动控制系统速度环的响应速度。该种电流前馈结构可以实现电流前馈指令的独立计算，不受到外界扰动的影响，电流前馈模型的建立参考了反馈控制系统模型，提高了控制系统电流前馈指令的计算精度，该种新型电流前馈系统相比于传统的基于低通滤波的电流前馈系统具有更好的指令跟踪能力，消除了低通滤波前馈对指令滤波造成的失真，本发明专利技术有效提高了控制系统的速度响应跟踪能力。

【技术实现步骤摘要】
一种基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法及装置
本专利技术主要是针对永磁同步电机的控制过程，是一种基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法及装置，该方法及装置可以有效消除传统低通滤波对电流前馈指令造成的失真问题，提高控制系统速度环响应速度。
技术介绍
传统的电流前馈指令系统为保证电流前馈指令输入的平滑稳定，对电流前馈指令进行低通滤波计算，上位机输入电流指令iref，经过计算处理得到电流环加速度指令aref，经过低通滤波环节，得到加速度前馈指令af，再根据永磁同步电机转动惯量Jm以及电机力矩系数KAT得到前馈电流值if，传统前馈结构图如下图1所示。从图1中我们可以看出传统前馈的计算过程，其中低通滤波模块LPF的低通滤波系数K如式(1)所示：式中τ为低通滤波时间常，由此得到加速度前馈指令af如式(2)所示：af＝Karef。(2)对公式(2)进行离散化：式中：τ为滤波时间常数；Ts为控制系统控制周期时间常数；K为低通滤波系数。由此得到离散化的加速度前馈指令如式(4)所示：设k为当前控制周期，k-1为上一个控制周期，由式(4)可得离散化后的当前控制周期加速度前馈指令af(k)如式(5)所示：进而计算得到低通滤波前馈电流if(k)如式(6)所示：通过上述方法得到传统低通滤波电流前馈指令if(k)，其中低通滤波时间系数τ往往需要工程经验来确定数值，并且低通滤波会造成信号指令的幅值失真，如图2所示，经过低通滤波信号处理的前馈信号幅值及相位均出现了偏差。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法及装置，旨在提高前馈指令的精度，提高控制系统速度环响应能力。为实现上述目的，本专利技术包含以下步骤:(1)建立永磁同步电机数学模型，得到d-q电压指令输出方程；(2)将永磁同步电机三相反馈电流进行空间矢量坐标变换，得到d-q轴反馈电流；(3)建立电流环反馈控制回路，得到d-q轴电压控制指令值；(4)建立速度环反馈控制回路，得到q轴电流指令值；(5)依据永磁同步电机数学模型，构建前馈控制回路的电流闭环；(6)依据控制系统参考模型，构建前馈控制回路的速度闭环，实现前馈速度闭环回路的比例积分调节；(7)将输出的电流前馈指令注入到速度环反馈控制回路中，完成速度环闭环计算；(8)电流指令经过前馈注入更新后，进行电流环闭环计算，得到最终d-q轴电压控制指令；(9)将d-q轴指令电压进行空间矢量坐标变换，得到永磁同步电机三相相电压指令输出值；(10)将三相相电压指令输入到功率放大调制单元，由功率放大调制单元输出三相幅值为母线电压的脉宽调制波驱动永磁同步电机单元旋转。作为优选，所述的步骤(1)，通过以下方法实现：永磁同步电机数学模型如式(1)所示：式中：Ud,Uq为d轴和q轴定子电压指令；Ld,Lq为d轴和q轴等效电感；Rs为定子电阻；ωe为电角速度；为转子磁链；id,iq为d轴和q轴定子反馈电流。电机力矩模型如式(2)所示：式中：Te为电磁转矩；P为电机极对数。机械运动方程如式(3)所示：式中：T1为负载转矩；ωfb为机械角速度；f为电机摩擦因数；Jm为电机转动惯量。为了实现最大力矩控制，令d轴电流指令id＝0，此时电机转矩输出方程如式(4)所示：作为优选，所述的步骤(2)，通过以下方法实现：从永磁同步电机三相采集三相相电流，得到三相反馈相电流iu、iv、iw，经过空间矢量坐标变化得到d-q轴反馈电流id、iq如式(5)所示：作为优选，所述的步骤(3)，通过以下方法实现：依据步骤(1)永磁同步电机数学模型，将永磁同步电机数学模型进行离散化，采用PI控制器，实现d-q轴电压指令的计算，k代表当前计算周期，k-1代表上一个计算周期，依据当前计算周期电流指令值idref、iqref与实际d-q轴电流反馈值id、iq得到电流反馈偏差id_err、iq_err如式(6)所示：依据当前计算周期电流反馈误差id_err(k)、iq_err(k)及积分系数Ki对电流误差积分值id_org(k)、iq_org(k)进行求解如式(7)所示：依据当前计算周期得到的电流误差积分值id_org(k)、iq_org(k)，反馈电流id(k)、iq(k)以及比例系数Kv对d-q轴控制电压指令进行求解如式(8)所示：式中：Rs为永磁同步电机等效电阻，Ld、Lq为永磁同步电机d-q轴等效电感值，ωe为永磁同步电机电角度转速值，为永磁同步电机等效磁链系数；作为优选，所述的步骤(4)，通过以下方法实现：采用PI控制器，实现q轴电流指令的计算，k代表当前计算周期，k-1代表上一个计算周期，依据当前计算周期速度指令值vref与实际电机转子转速反馈值ωfb得到转速反馈偏差ωerr如式(9)所示：ωerr＝vref-ωfb(9)依据当前计算周期速度反馈误差ωerr及速度环积分系数Kmi对速度误差积分值ωorg(k)进行求解如式(10)所示：ωorg(k)＝ωorg(k-1)+ωerr(k)Kmi(10)依据当前计算周期得到的速度误差积分值ωorg(k)，反馈速度ωfb(k)以及比例系数Kmv对q轴控制电流指令iqref(k)进行求解如式(11)所示：iqref(k)＝(ωorg(k)-ωfb(k))KmvJm/Ka(11)式中：Jm为电机转子转动惯量，Ka为电机力矩系数；作为优选，所述的步骤(5)，通过以下方法实现：采用PI控制器，实现d-q轴前馈电压指令的计算，k代表当前计算周期，k-1代表上一个计算周期，以q轴电流前馈指令为例，依据当前计算周期q轴前馈电流指令值iFFlim与电流环前馈结构的q轴电流反馈值iFFFB得到前馈电流反馈偏差iqff_err如式(12)所示：iqff_err(k)＝iFFlim(k)-iFFFB(k)(12)依据当前计算周期电流反馈误差iqff_er(r)k及电流前馈积分系数KCiFF对前馈电流误差积分值iqff_org(k)进行求解如式(13)所示：iqff_org(k)＝iqff_org(k-1)+iqff_err(k)KCiFF(13)依据当前计算周期得到的前馈电流误差积分值iqff_org(k)，前馈闭环的反馈电流iFFFB(k)以及前馈比例系数KCvFF对q轴前馈控制电压Uqff(k)进行求解如式(14)所示：Uqff(k)＝(iqff_org(k)-iFFFB(k))KCvFFLFF-RFFiFFFB(k)(14)式中：RFF为永磁同步电机前馈结构等效电阻，LFF为永磁同步电机前馈等效电感值；对q轴前馈输出电压值Uqff(k)进行幅值限制，令其不超过母线电压Vdc，得到最终的前馈电压指令Uqffout(k)如式(15)所示：对前馈电压指令进行积分如式(16)所示：经过上述过程得到前馈电流环的反馈电流iFFFB，由此实现前馈电流环的闭环控制；作为优选，所述的步骤(6)，通过以下方法实现：将由步骤(5)得到的前馈电流闭环反馈电流iFFFB进行积分得到前馈闭环的反馈速度vFFFB如式(17)所示：vFFFB(k)＝vFFFB(k-1)+iFFFB(k)Ts(17)式中：TS为控制系统控制周期；在速度指令vref输入下，得到与前馈结构反馈速度vFFFB的速度偏差值vFF_err如式(18)所示：vFF_err本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)建立永磁同步电机数学模型，得到d‑q电压指令输出方程；(2)将永磁同步电机三相反馈电流进行空间矢量坐标变换，得到d‑q轴反馈电流；(3)建立电流环反馈控制回路，得到d‑q轴电压控制指令值；(4)建立速度环反馈控制回路，得到q轴电流指令值；(5)依据永磁同步电机数学模型，构建前馈控制回路的电流闭环；(6)依据控制系统参考模型，构建前馈控制回路的速度闭环，实现前馈速度闭环回路的比例积分调节；(7)将输出的电流前馈指令注入到速度环反馈控制回路中，完成速度环闭环计算；(8)电流指令经过前馈注入更新后，进行电流环闭环计算，得到最终d‑q轴电压控制指令；(9)将d‑q轴指令电压进行空间矢量坐标变换，得到永磁同步电机三相相电压指令输出值；(10)将三相相电压指令输入到功率放大调制单元，由功率放大调制单元输出三相幅值为母线电压的脉宽调制波驱动永磁同步电机单元旋转。

【技术特征摘要】
1.一种基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)建立永磁同步电机数学模型，得到d-q电压指令输出方程；(2)将永磁同步电机三相反馈电流进行空间矢量坐标变换，得到d-q轴反馈电流；(3)建立电流环反馈控制回路，得到d-q轴电压控制指令值；(4)建立速度环反馈控制回路，得到q轴电流指令值；(5)依据永磁同步电机数学模型，构建前馈控制回路的电流闭环；(6)依据控制系统参考模型，构建前馈控制回路的速度闭环，实现前馈速度闭环回路的比例积分调节；(7)将输出的电流前馈指令注入到速度环反馈控制回路中，完成速度环闭环计算；(8)电流指令经过前馈注入更新后，进行电流环闭环计算，得到最终d-q轴电压控制指令；(9)将d-q轴指令电压进行空间矢量坐标变换，得到永磁同步电机三相相电压指令输出值；(10)将三相相电压指令输入到功率放大调制单元，由功率放大调制单元输出三相幅值为母线电压的脉宽调制波驱动永磁同步电机单元旋转。2.根据权利要求1所述的基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)，通过以下方法实现：永磁同步电机数学模型如式(1)所示：式中：Ud、Uq为d轴和q轴定子电压指令；Ld、Lq为d轴和q轴等效电感；Rs为定子电阻；ωe为电角速度；为转子磁链；id、iq为d轴和q轴定子反馈电流；电机力矩模型如式(2)所示：式中：Te为电磁转矩；P为电机极对数；机械运动方程如式(3)所示：式中：T1为负载转矩；ωfb为机械角速度；f为电机摩擦因数；Jm为电机转动惯量；为了实现最大力矩控制，令d轴电流指令id＝0，此时电机转矩输出方程如式(4)所示：3.根据权利要求1所述的基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)，通过以下方法实现：从永磁同步电机三相采集三相相电流，得到三相反馈相电流iu、iv、iw，经过空间矢量坐标变化得到d-q轴反馈电流id、iq如式(5)所示：4.根据权利要求1所述的基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)，通过以下方法实现：依据步骤(1)的永磁同步电机数学模型，将永磁同步电机数学模型进行离散化，采用PI控制器，实现d-q轴电压指令的计算，k代表当前计算周期，k-1代表上一个计算周期，依据当前计算周期电流指令值idref、iqref与实际d-q轴电流反馈值id、iq得到电流反馈偏差id_err、iq_err如式(6)所示：依据当前计算周期电流反馈误差id_err(k)、iq_err(k)及积分系数Ki对电流误差积分值id_org(k)、iq_org(k)进行求解如式(7)所示：依据当前计算周期得到的电流误差积分值id_org(k)、iq_org(k)，反馈电流id(k)、iq(k)以及比例系数Kv对d-q轴控制电压指令进行求解如式(8)所示：式中：Rs为永磁同步电机等效电阻，Ld、Lq为永磁同步电机d-q轴等效电感值，ωe为永磁同步电机电角度转速值，为永磁同步电机等效磁链系数。5.根据权利要求1所述的基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)，通过以下方法实现：采用PI控制器，实现q轴电流指令的计算，k代表当前计算周期，k-1代表上一个计算周期，依据当前计算周期速度指令值vref与实际电机转子转速反馈值ωfb得到转速反馈偏差ωerr如式(9)所示：ωerr＝vref-ωfb(9)依据当前计算周期速度反馈误差ωerr及速度环积分系数Kmi对速度误差积分值ωorg(k)进行求解如式(10)所示：ωorg(k)＝ωorg(k-1)+ωerr(k)Kmi(10)依据当前计算周期得到的速度误差积分值ωorg(k)，反馈速度ωfb(k)以及比例系数Kmv对q轴控制电流指令iqref(k)进行求解如式(11)所示：iqref(k)＝(ωorg(k)-ωfb(k))KmvJm/Ka(11)式中：Jm为电机转子转动惯量，Ka为电机力矩系数。6.根据权利要求1所述的基于比例积分系数调节的电流前馈控制方法，其特征在于：所述的步骤(5)，通过以下方法实现：采用PI控制器，实现d-q轴前馈电压指令的计算，k代表当前计算周期，k-1代表上一个计算周期，以q轴电流前馈指令为例，依据当前计算周期q轴前馈电流指令值iFFlim与电流环前馈结构的q轴电流反馈值iFFFB得到前馈电流反馈偏差iqff_err如式(12)所示：iqff_err(k)＝iFFlim(k)-iFFFB(k)(12)依据当前计算周期电流反馈误差iqff_er(r)k及电流前馈积分系数KCiFF对前馈电流误差积分值iqff_org(k)进行求解如式(13)所示：iqff_org(k)＝iqff_org(k-1)+iqff_err(k)KCiFF(13)依据当前计算周期得到的前馈电流误差积分值iqff_org(k)，前馈闭环的反馈电流iFFFB(k)以及前馈比例系数KCvFF对q轴前馈控制电压Uqff(k)进行求解如式(14)所示：Uqff(k)＝(iqf...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，任齐民，张洪鑫，张永德，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23