一种两过程切换控制PMSM位置的伺服控制方法技术

本发明专利技术公开了一种两过程切换控制PMSM位置的伺服控制方法，所述方法为：1、计算电机的ω

【技术实现步骤摘要】
一种两过程切换控制PMSM位置的伺服控制方法


[0001]本专利技术涉及一种两过程切换控制PMSM位置伺服控制算法，用于表贴式三相永磁同步电机位置伺服系统的高性能控制。

技术介绍

[0002]在传统的位置伺服系统中，最常用的永磁同步电机伺服控制算法为经典的三闭环PI控制，这种方法直接根据输入给定与输出反馈的偏差进行相应的比例积分运算，从而得到调节器的输出量，作为下一级控制环节的给定，使得q轴电流、电机转速和电机位置反馈分别跟踪到给定信号，实现位置伺服。然而，由于PI控制方法无法兼顾位置控制的响应速度和控制精度，且由内环到外环的带宽会依次降低，无法应用于高性能伺服控制场合。
[0003]而目前针对PMSM伺服系统有一些先进控制方法，其中最简单且常用的，能够达到时间最优控制的算法为时间最优控制，虽然该方法理论上可以达到时间最优的位置跟随，但是其带来的抖震现象是实际应用中难以接受的。而对于时间最优控制的一种常见的保守设计为近似时间最优控制，这种方法消除了切换线的概念，减小了系统抖震，且具有一定的鲁棒性，然而响应时间会大大增加，使系统不具备理想的快速性。
[0004]由此可见，需要一种更先进的伺服控制算法，既能保证时间最优的跟踪位置给定，又能减小超调量，实现高性能的伺服控制。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种两过程切换控制PMSM位置的伺服控制方法，该方法计算简单且易于在基于数字控制芯片(DSP)的伺服驱动器中实现，可以大大提高伺服系统的响应速度和精度，有利于大大提升系统性能，在工业控制领域具有极高的应用价值。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种两过程切换控制PMSM位置的伺服控制方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1、通过离线测试获得永磁同步电机的电气参数和机械参数，从而计算出电机的最大转速ω
max
、最大加加速度j
max
和最大加速度a
max
，进一步建立电机的电气方程和运动学方程，并设计带有时延以及扰动补偿电流预测控制器作为控制系统最内环电流环的控制器，其中：
[0009]所述电气参数包含永磁体磁链ψ
f
、相电阻R和表贴式永磁同步电机的相电感L；
[0010]所述机械参数包含电机的转动惯量J、极对数p；
[0011]所述控制器的具体表达式如下所示：
[0012][0013]式中，式中，i(k)＝[i
d
(k) i
q
(k)]T
为dq轴电流向量，为当前时刻k+1输
入给SVPWM的参考电压；ω
e
为转子的电角速度；T为控制周期；i
d
为d轴电流，i
q
为q轴电流；为参考电流矢量；
[0014]所述最大加速度a
max
的计算公式如下：
[0015][0016]步骤2、在快响应过程，采用时间最优控制方法，使得电机先以正最大加速度进行加速，到达切换线后控制切换为以负最大加速度进行减速到达给定位置，其中切换线方程为：
[0017][0018]其中，θ为电机的位置，u
max
等于最大加速度a
max
，ω为电机转速；
[0019]步骤3、设计控制率切换条件：
[0020]|(y
‑
r0)/r0|＜γ；
[0021]其中，y代表位置传感器的位置反馈，r0代表参考位置，γ取值为0.02；
[0022]步骤4、当满足控制率切换条件后，电机由快响应过程进入高精度整定过程，此时的控制器采用鲁棒的复合非线性反馈控制，该控制器的输出作为电流调节器的给定信号，实现伺服电机的高精度整定，其中：
[0023]所述控制器的结构如下式所示：
[0024][0025]其中，为线性反馈增益，b＝K
t
/J为常数，K
t
为力矩系数；ω1为自然振荡角频率，ξ1为阻尼比；F
n
为非线性反馈控制率；ρ为非正的系数；z2和z3为扩张状态观测器ESO的状态观测值，分别代表了所观测的电机的转速z2和系统的扰动z3。
[0026]上述方法属于一种切换控制方法，将永磁同步电机的整个伺服过程分为两个过程，即快响应过程和高精度整定过程，并根据不同过程的目标设计不同的控制率。在快响应过程，采用时间最优控制算法，将时间最优的控制量施加到永磁同步电机(PMSM)位置伺服系统，实现时间最优的伺服跟随。在高精度整定过程，本专利技术应用了一种鲁棒的复合单环反馈控制算法，将速度环和位置环结合在一起，通过单一控制率增大了系统的带宽。由于复合单环反馈控制算法可以使得系统的阻尼比随着位置误差的减小而逐渐增大，因此电机在趋近给定位置时，在较大阻尼的作用下，并不会产生超调，从而实现位置的高精度跟随。与此同时，两个过程的电流环均采用能够达到理论上最快电流跟随速度的算法，即带有延迟补偿的电流预测控制，从而实现电流给定的无差跟随，使系统能够达到最优的伺服性能。本专利技术所提出的两过程思路对高性能伺服系统的开发有指导意义。
[0027]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
[0028]1、本专利技术应用于永磁同步电机的伺服系统中，尤其适用于高精度快响应的位置伺服系统。
[0029]2、本专利技术的方法不需要改变驱动器的原有硬件结构，所需的是在数字控制器
(DSP)中编写本专利技术算法对应的程序，故不会提高成本以及复杂度；在操作、控制、使用等方面与原系统维持不变。
[0030]3、本专利技术所提出的切换控制算法能够大大提高控制系统的快速性、跟随精度以及稳定性，对于要求高精度伺服的领域大有裨益。
附图说明
[0031]图1为本专利技术提出的两过程切换控制PMSM位置的伺服控制方法框图；
[0032]图2为1rad位置给定下切换控制和PI的对比波形；
[0033]图3为4rad位置给定下切换控制和PI的对比波形；
[0034]图4为10rad位置给定下切换控制和PI的对比波形。
具体实施方式
[0035]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。
[0036]本专利技术的基本结构基于三相表贴式永磁同步电机矢量控制结构，采用i
*d
＝0控制，在快响应过程和高精度整定过程中d轴电流给定均保持零值不变。其中电流调节器ACR采用电流预测控制算法，其工作框图如图1所示。根据本专利技术所提出的算法，首先采用时间最优控制算法，使得电机以最大加速度和减速度到达给定位置的附近。随后，当满足切换条件后，系统进入高精度整定过程，外环控制算法切换为鲁棒的复合单环反馈控制，从而实现高精度伺服跟随。电机a、b相电流反馈由驱动器中所配置的高精度电流传感器采样本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种两过程切换控制PMSM位置的伺服控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤1、通过离线测试获得永磁同步电机的电气参数和机械参数，从而计算出电机的最大转速ω
max
、最大加加速度j
max
和最大加速度a
max
，进一步建立电机的电气方程和运动学方程，并设计带有时延以及扰动补偿电流预测控制器作为控制系统最内环电流环的控制器；其中：所述电气参数包含永磁体磁链ψ
f
、相电阻R和表贴式永磁同步电机的相电感L；所述机械参数包含电机的转动惯量J、极对数p；步骤2、在快响应过程，采用时间最优控制方法，使得电机先以正最大加速度进行加速，到达切换线后控制切换为以负最大加速度进行减速到达给定位置；步骤3、设计控制率切换条件：|(y
‑
r0)/r0|＜γ；其中，y代表位置传感器的位置反馈，r0代表参考位置，γ取值为0.02；步骤4、当满足控制率切换条件后，电机由快响应过程进入高精度整定过程，此时的控制器采用鲁棒的复合非线性反馈控制，该控制器的输出作为电流调节器的给定信号，实现伺服电机的高精度整定，其中：所述控制器的结构如下式所示：其中，u
CNF
、u
l
、u
n
分别代表控制器的最终控制输出、线性控制部分以及非线性控制部分；F为线性反馈增益；b为常数；x
e
＝(r
0 0)
T
；ρ为非线性反馈增益；z2和z3为扩张状态观测器ESO的状态观测值，分别代表了所观测的电机的转速和系统的扰动，F

【专利技术属性】
技术研发人员：徐永向，李绍斌，邹继斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：