一种永磁同步电机伺服控制方法及伺服系统技术方案

本发明专利技术提供一种永磁同步电机伺服控制方法及伺服系统，该方法包括：构建永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型和永磁同步电机控制系统的运动方程，基于所述数学模型和所述运动模型设计非串联结构下永磁同步电机的控制逻辑；采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差，基于专家经验确定模糊推理规则，建立控制参数的模糊规律控制表；通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PI D控制参数进行调节。通过该方案可以减小系统干扰带来的影响，较好的适应电机参数的变化带来的控制参数变化，能够在线实时的修正非线性误差，提高伺服系统的控制性能。系统的控制性能。系统的控制性能。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机伺服控制方法及伺服系统


[0001]本专利技术涉及永磁同步电机领域，尤其涉及一种永磁同步电机伺服控制方法及伺服系统。

技术介绍

[0002]永磁同步电机(PMSM)采用永磁体产生磁场，具备体积小、功率密度高等优点被广泛应用在数控机床、汽车制造、工业机器人等领域。由于其磁场主要由内部永磁体提供，使得从外部控制其磁场十分困难。常用的控制方法包括矢量控制和直接转矩控制，但是想要使PMSM系统具备更高性能的控制效果，必须进行更为先进、有效的控制策略来解决其他不确定性的问题。
[0003]目前应用最广的矢量控制通常采用转速和电流两个调节器，一般采用PI控制构成双闭环调速系统。然而，受系统各种因素的干扰，永磁同步电机实际运行中惯量的实时性变化会对控制性能的影响较大，如果不及时对控制器参数的在线调整可能会造成系统的性能下降，严重时还会导致系统失调。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种永磁同步电机伺服控制方法及伺服系统，用于解决现有永磁同步电机控制系统在电机运行时，惯量的实时变化会影响控制性能的问题。
[0005]在本专利技术实施例的第一方面，提供了一种永磁同步电机伺服控制方法，包括：
[0006]构建永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型和永磁同步电机控制系统的运动方程，基于所述数学模型和所述运动模型设计非串联结构下永磁同步电机的控制逻辑；
[0007]采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差，基于专家经验确定模糊推理规则，建立控制参数的模糊规律控制表；
[0008]根据控制参数的模糊规律控制表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PID控制参数进行调节。
[0009]在本专利技术实施例的第二方面，提供了一种永磁同步电机伺服系统，包括上位机、信号采样处理单元、编码器信号处理单元、DSP芯片、驱动单元，上位机将控制信息通过总线发送至DSP芯片中，信号采样处理单元与编码器信号处理单元将采集到的电压、电流和转速信号传输至DSP芯片内，DSP芯片通过空间矢量控制发送六路PWM波，六路PWM波通过功率放大器件加载到三相逆变电路的开关器件上，实现对永磁同步电机的控制；
[0010]其中，在所述DSP芯片中采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差，基于专家经验确定模糊推理规则，建立控制参数的模糊规律控制表；根据控制参数的模糊规律控制表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PID控制参数进行调节。
[0011]本专利技术实施例中，在电机负载惯量变化时，尤其是低速低转矩情况下，采用扩张状态观测器对系统扰动进行观测，采用前馈补偿的方法对系统干扰进行抑制，对给定量和二、三阶的估计值进行计算得到整合的给定量，然后与一阶估计值进行相减，得到的误差以及误差变化率作为模糊控制的输入，模糊控制输出作为传统PID控制参数的偏移量，由此进行控制参数的在线调节。从而可以较好的适应电机参数的变化带来的控制参数的影响，能够实现在线实时的修正非线性误差反馈，使系统的运行状况受到干扰的影响较小，稳态性能较传统PI控制有更好的提升，大大提高了伺服系统的控制性能。
附图说明
[0012]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。
[0013]图1为本专利技术实施例提供的一种永磁同步电机伺服控制方法的流程示意图；
[0014]图2为本专利技术实施例提供的永磁同步电机在非串联结构下的控制逻辑示意图；
[0015]图3为本专利技术的实施例提供的永磁同步电机模糊PID控制示意图；
[0016]图4为本专利技术的实施例提供的永磁同步电机伺服系统结构示意图；
[0017]图5为本专利技术实施例提供的一种PID模糊控制原理示意图。
具体实施方式
[0018]为使得本专利技术的专利技术目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]应当理解，本专利技术的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。此外，“第一”“第二”用于区分不同对象，并非用于描述特定顺序。
[0020]永磁同步电机的矢量控制，通常采用转速和电流两个调节器，一般采用PI控制构成双闭环调速系统，速度环和电流环在控制周期存在差异。而随着PMSM控制系统的电流环与速度环之间的周期时间差越来越来小，在PMSM的控制器中非串级结构的适应性也大大增加。扩张状态观测器(ESO)是本专利技术实施例中一个重要组成部分，为了更好的反映实际输出中的扰动量，利用观测的思想，把各种扰动信息扩张成新的状态变量。前馈的角度出发，设计了三阶的扩张状态观测器来对系统的扰动进行观测，将含有未知扰动的非线性不确定对象转化为“积分串联型”对象进行前馈补偿。保证系统的稳定。模糊控制作为智能控制技术一种，是模糊集合理论应用的一个重要方面。通过模糊逻辑推理实现对不确定性的系统进行控制，根据人工的经验或教训形成控制理论规则，在一定程度上可以提高系统的鲁棒性。模糊控制存在一些不足之处就是本身难以消除稳态误差，很难达到较高的控制精度，因此
本设计将模糊控制和传统PI控制相结合的方式作用于控制器中，将二者的优劣势互补。
[0021]请参阅图1，本专利技术实施例提供的一种永磁同步电机伺服控制方法的流程示意图，包括：
[0022]S101、构建永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型和永磁同步电机控制系统的运动方程，基于所述数学模型和所述运动模型设计非串联结构下永磁同步电机的控制逻辑；
[0023]根据坐标转换原理将永磁同步电机的数学模型表示为：
[0024][0025]可以理解的是，由于永磁同步电机工艺复杂，在建立以上数学模型中，必须做出如下假设：(1)忽略定子、转子的铁心磁阻，不计涡流和磁滞损耗；(2)电机三相绕组空间位置呈120
°
均匀分布；(3)永磁体的磁导率为零，转子上没有阻尼绕组；(4)稳态运行，产生的励磁磁场和三相绕组产生电枢磁场呈正弦分布，并且产生的电动势波形为正弦波。
[0026]永磁同步电机的电磁转矩方程表示为：T
e
＝n
p
(ψ
f
i
q
+(L
d
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机伺服控制方法，其特征在于，包括：构建永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型和永磁同步电机控制系统的运动方程，基于所述数学模型和所述运动模型设计非串联结构下永磁同步电机的控制逻辑；采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差，基于专家经验确定模糊推理规则，建立控制参数的模糊规律控制表；根据控制参数的模糊规律控制表，通过去模糊化处理得到控制叠加量，基于控制叠加量对永磁同步电机PID控制参数进行调节。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用三阶扩张状态观测模型对系统扰动进行观测，结合给定的扰动估计值，计算系统扰动误差与扰动估计值之间的误差具体为：根据所述运动方程，定义总扰动为：式中，a0是的估计值；将d(t)作为一个扩张的新状态，定义x1＝ω，和x3＝d，将系统扰动表示为：则三阶扩张状态观测器表示为：将系统扰动误差和扰动估计值相减得到系统的误差：其中，d(t)表示总扰动，表示实际转速的导数,ω表示实际转速，T
L
表示负载转矩，表示负载转矩的导数，k1、k2、k3、k4、a均表示中间变量，a0表示a的估计值，u
q
表示q轴电压，J表示转动惯量，R
s
表示定子绕组电阻，L表示定子绕组电感，B表示粘滞摩擦系数，n
p
表示永磁同步电机极对数，ψ
f
表示磁链，表示实际转速的导数，表示估算的扩张量，d表示扰动，
表示扰动状态量，表示扰动变化量，y表示系统输出，均表示扩张状态观测器的状态变量，z1表示ω的估计值，z2表示的估计值，z3表示总扰动估计值，p表示期望观测器的重极点，均...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓伟，何畏，张晓光，杨志洵，
申请(专利权)人：武汉市正弦电气技术有限公司，
类型：发明
国别省市：