基于自适应电流轨迹规划的PMSM伺服系统时间最优控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自适应电流轨迹规划的PMSM伺服系统时间最优控制方法，所述方法为：一：计算理论上时间最优的位置伺服条件；二：计算电机最大加速度a

【技术实现步骤摘要】
基于自适应电流轨迹规划的PMSM伺服系统时间最优控制方法


[0001]本专利技术属于高性能位置伺服控制系统
，涉及一种针对表贴式三相永磁同步电机(PMSM)伺服系统的时间最优位置控制方法，具体涉及一种基于自适应电流轨迹规划的PMSM伺服系统时间最优控制方法。

技术介绍

[0002]高性能的永磁同步电机(PMSM)位置伺服系统一直在追求更快的位置跟随速度。目前，快响应伺服系统在光盘驱动器、机器人技术和航空航天等高端领域中受到越来越多的关注。但目前针对PMSM伺服系统提出的控制方法均存在或多或少的缺点，例如响应不够快、缺乏鲁棒性或过于复杂。迄今为止，应用最广泛的控制结构是传统的三闭环级联PI控制，用于通用伺服系统控制。该方法简单、可靠、有效，但是系统的整体带宽从最内层的电流环到外层的速度和位置环依次衰减，极大束缚了整个位置伺服控制系统的最大带宽，从而也限制了电机位置伺服的响应速度。
[0003]为了克服上述问题，现有的基于时间最优控制(TOC)理论的控制器使用由预定义的切换曲线产生的最大或最小的容许控制信号来实现时间最优的位置跟踪，已经在伺服驱动器中有所应用。然而，TOC方法由于开关函数所带来的抖振问题以及该方法对干扰和模型不确定性的高敏感性严重阻碍了该方法的实际应用。以上分析阐述了时间最优控制在实际应用中的局限性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于自适应电流轨迹规划的PMSM伺服系统时间最优控制方法，该方法是一种基于模型的方法，根据永磁同步电机的数学模型，进行相应的自适应电流轨迹规划，使得电机在最短时间内到达指令位置。本专利技术的方法可以应用于基于数字控制芯片如DSP等的数字化电机控制系统中，能够提高伺服系统的快速性，实现时间最优的位置跟随，在高精度快响应伺服控制领域有着极高的应用价值。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种基于自适应电流轨迹规划的PMSM伺服系统时间最优控制方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一：根据PMSM的运动学方程，计算得到理论上时间最优的位置伺服条件；
[0008]步骤二：根据PMSM的极对数p、永磁体磁链ψ
f
、所能够承受的最大电流I
max
、电机的转动惯量J，计算电机的最大加速度a
max
，并确定电机所能达到的最大转速ω
max
以及所能承受的加加速度的最大值j
max
；
[0009]步骤三、根据步骤二中的计算结果，计算三种电流轨迹规划情况的分界点S
c1
和S
c2
：
[0010][0011][0012]三种电流轨迹规划情况为：
①
当位置给定为一个极小值时，电机未达到最大加速度；
②
电机未达到最大速度限制，即通过以最大加速度加速以及减速即可达到给定位置；
③
电机达到最大速度限制；
[0013]步骤四：当输入一个新的位置指令后，考虑如下三种情况并进行在线轨迹规划：
[0014]如果r0≤S
c1
，直接采用传统三闭环PI伺服控制算法；
[0015]如果S
c1
＜r0≤S
c2
，此时电机的时间最优控制方式为先以最大的正加速度进行加速，再以最大的负加速度进行减速，在整个过程中转速并未达到最大限制ω
max
，此时各个节点的切换时间为：
[0016][0017]如果r0＞S
c2
，此时电机的最优电流轨迹所对应的速度轨迹会达到最大转速值ω
max
，各个节点的切换时间为：
[0018][0019]其中，t1到t7为电流轨迹切换点处所对应的时刻；
[0020]步骤五：将步骤四规划的电流轨迹作为q轴电流控制器的参考输入，在最大加速度加速区间t1到t2的前半段采用最小二乘法进行加速度辨识，得到电机在加速阶段的实际加速度
[0021][0022]其中，i代表采样点数，t
i
代表采样时刻，ω
i
代表对应的电机转速；
[0023]步骤六：根据电机实际的加速度与电流轨迹的形状，采用自适应率对轨迹t2到t7进行自适应修正，修正后的轨迹切换时间记作t'2到t'7，自适应率有如下两种情况：
[0024]当S
c1
＜r0≤S
c2
时，补偿后的切换时间节点分别为t
′1＝t1，t
′2＝t2+Δt，t
′3＝t3+Δt，t
′4＝t4+Δt，t
′5＝t5+Δt，t
′6＝t6+2Δt，t
′7＝t7+2Δt；
[0025]当r0＞S
c2
时，补偿后的切换时间节点分别为t
′1＝t1，t
′2＝t2+Δt，t
′3＝t3+Δt，t
′4＝t4，t
′5＝t5，t
′6＝t6+Δt，t
′7＝t7+Δt
[0026]其中，Δt代表电机轨迹通过自适应率的修正时间；
[0027]步骤七：将修正后的轨迹t'2到t'7继续施加到伺服控制器作为电流环给定，当电机到达给定位置，将控制率切换为传统三闭环PI控制方式，将电机稳定在给定位置。
[0028]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
[0029]1、本专利技术提出了一种全新的控制思路，即基于q轴电流自适应轨迹规划的控制策略，该方法通过永磁同步电机q轴电流轨迹规划的思路，既能够使得永磁同步电机伺服系统达到理论上的最大带宽，又可以极大的提高位置跟随的快速性，相比于TOC方法，该思路继承了其时间最优的优点，解决了鲁棒性和抖振的问题，实现快响应伺服控制，有极大的实际应用价值。
[0030]2、本专利技术应用于永磁同步电机的伺服系统中，尤其适合于应用于快响应的伺服系统中。该方法不需要添加其他的硬件，仅仅在数字控制器中编写程序进行算法实现，且该方法所涉及运算均为初等数学代数运算，基本不占用处理器资源，故不会提高成本与能量损耗；在操作、控制、使用等方面与原系统维持不变；然而，本专利技术所采用算法的应用会大大提高控制系统快速性，对于火炮转台等要求快响应随动的系统大有裨益。
附图说明
[0031]图1为本专利技术提出的自适应q轴电流轨迹规划算法框图；
[0032]图2为本专利技术提出的自适应q轴电流轨迹规划算法的步骤框图；
[0033]图3为不同位置给定情况下的电流轨迹；
[0034]图4为不同位置给定情况下的速度轨迹；
[0035]图5为1rad位置给定所提出的轨迹规划切换控制器和传统PI控制器的对比波形；
[0036]图6为4rad位置给定所提出的轨迹规划切换控制器和传统PI控制器的对比波形；
[0037]图7为本专利技术提出的自适应q轴电流轨迹规划算法鲁棒性验证(1rad位置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应电流轨迹规划的PMSM伺服系统时间最优控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一：根据PMSM的运动学方程，计算得到理论上时间最优的位置伺服条件；步骤二：根据PMSM的极对数p、永磁体磁链ψ
f
、所能够承受的最大电流I
max
、电机的转动惯量J，计算电机的最大加速度a
max
，并确定电机所能达到的最大转速ω
max
以及所能承受的加加速度的最大值j
max
；步骤三、根据步骤二中的计算结果，计算三种电流轨迹规划情况的分界点S
c1
和S
c2
：：三种电流轨迹规划情况为：
①
当位置给定为一个极小值时，电机未达到最大加速度；
②
电机未达到最大速度限制，即通过以最大加速度加速以及减速即可达到给定位置；
③
电机达到最大速度限制；步骤四：当输入一个新的位置指令后，考虑如下三种情况并进行在线轨迹规划：如果r0≤S
c1
，直接采用传统三闭环PI伺服控制算法；如果S
c1
＜r0≤S
c2
，此时电机的时间最优控制方式为先以最大的正加速度进行加速，再以最大的负加速度进行减速，在整个过程中转速并未达到最大限制ω
max
，此时各个节点的切换时间为：如果r0＞S
c2
，此时电机的最优电流轨迹所对应的速度轨迹会达到最大转速值ω
max
，各个节点的切换时间为：其中，t1到t7为电流轨迹切换点处所对应的时刻；步骤五：将步骤四规划的电流轨迹作为q轴电流控制器的参考输入，在最大加速度加速
区间t1到t2的前半段采用最小二乘法进行加速度辨识，得到电机在加速阶段的实际加速度步骤六：根据电机实际的加速度与电流轨迹的形状，采...

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