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CN109150043B - 交流伺服系统电流环中的电压前馈补偿方法 - Google Patents

交流伺服系统电流环中的电压前馈补偿方法 Download PDF

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CN109150043B
CN109150043B CN201810901920.9A CN201810901920A CN109150043B CN 109150043 B CN109150043 B CN 109150043B CN 201810901920 A CN201810901920 A CN 201810901920A CN 109150043 B CN109150043 B CN 109150043B
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Abstract

本发明涉及一种交流伺服系统电流环中的电压前馈补偿方法，包括以下步骤：通过实验的方法获取隐极式三相交流永磁同步电机的电流iq和电压uq的对应关系表；交流伺服系统中速度环输出到q轴的指令电流
Figure DDA0001759625360000011
利用线性插值法在所述电流iq与电压uq的对应关系表中查找或计算指令电流
Figure DDA0001759625360000012
对应该的电压值，交流伺服驱动器的电流环中可以加入电压前馈补偿来提升电流环的跟踪响应能力。

Description

交流伺服系统电流环中的电压前馈补偿方法
技术领域
本发明涉及一种交流伺服系统电流环中的电压前馈补偿方法，尤其是涉及隐极式交流永磁同步电机的交流伺服系统电流环中的电压前馈补偿。
背景技术
交流伺服系统通常由交流伺服电机，功率变换器，速度、位置传感器及位置、速度和电流控制器构成，如图1所示。交流伺服系统是具有电流反馈、速度反馈和位置反馈的三闭环结构，其中电流环为内环，位置和速度环计算的目标输出最终要通过电流环来实现。电流环由电流控制器和逆变器组成，其作用是使交流伺服电机绕组电流实时地跟踪电流指令信号。为了能够快速、精确的控制交流伺服电机的电磁转矩，在交流伺服系统中，需要对交流伺服电机的d、q轴电流进行控制。当交流伺服电机为隐极式交流永磁同步电机时，q轴电流指令来自于速度环的输出，d轴电流指令直接给定为0。将交流伺服电机的三相反馈电流进行变换，得到d、q轴的反馈电流，电流控制器通过反馈电流、实际电流及其他参数，计算得出给定电压，再根据SVPWM算法产生PWM信号，功率变换器根据PWM信号对直流母线电压进行斩波处理，得到所需要的三相电压，最后交流伺服系统将斩波得到的三相电压输出至交流伺服电机，驱动交流伺服电机按照指定的位置、速度和扭矩进行运转。
在当前交流伺服系统的电流环中，实现方法如下：
电流环中有d轴和q轴两个通道，两个通道的实际电流由电流传感器采集的相电流经CLARK和PARK变换而来，变换的数学表达式如下：
Figure GDA0002928601710000011
其中，iu和iv分别是采集所得的U和V相电流，θe为电机转子磁极的电角度，id是d轴实际电流，iq是q轴实际电流。
d和q轴的反馈控制的为比例积分调节，数学表达式如下：
Figure GDA0002928601710000012
Figure GDA0002928601710000021
Figure GDA0002928601710000022
Figure GDA0002928601710000023
其中，
Figure GDA0002928601710000024
和
Figure GDA0002928601710000025
为d和q轴指令电流，在控制对象为隐极式交流永磁同步电机时，
Figure GDA0002928601710000026
EId和EIq分别为d和q轴电流跟踪误差，kIdp和kIqp分别为d和q轴比例调节系数，kIdi和kIqi分别为d和q轴积分调节系数，
Figure GDA0002928601710000027
和
Figure GDA0002928601710000028
分别为d和q轴反馈调节输出。
正弦波三相永磁同步电机的d、q轴存在相互干涉的旋转电动势，该电动势对id和iq的控制产生不利影响，需要通过解耦控制消除，数学表达式如下：
Figure GDA0002928601710000029
Figure GDA00029286017100000210
其中，Ld和Lq分别为电机定子绕组在dq轴上的等效电感，ψf为电机永磁体在dq坐标系下的等效磁链，ωe为转子磁极旋转的电角速度，
Figure GDA00029286017100000211
和
Figure GDA00029286017100000212
分别为d和q轴的解耦电压。
经过反馈调节、反电势补偿和解耦计算，d、q轴的指令电压
Figure GDA00029286017100000213
为
Figure GDA00029286017100000214
Figure GDA00029286017100000215
因SVPWM(空间矢量脉宽调制)基于αβ坐标系，需将
Figure GDA00029286017100000216
经逆PARK变换转换至αβ坐标系的指令电压
Figure GDA00029286017100000217
转换方程如下：
Figure GDA00029286017100000218
现有技术中交流伺服系统电流环的性能对PI反馈调节的依赖程度较高，导致电流环的性能主要依赖于比例(P)参数和积分(I)参数，增加了调试的难度，即在PI参数设置欠佳时，电流环的性能不能得到充分的体现。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明在电流环的计算中加入电压前馈补偿，降低了PI反馈调节的负担，使得电流环的性能对比例参数和积分参数的依赖性大大降低，方便了调试，即使在PI参数设置不佳时，因有电压前馈的存在，也能将电流环的性能充分发挥出来。
本发明涉及的交流伺服系统电流环中的电压前馈补偿方法，包括如下步骤：
步骤1，通过实验的方法获取隐极式三相交流永磁同步电机的电流iq和电压uq的对应关系表，所述的iq是指隐极式三相交流永磁同步电机q轴电流，所述的uq是指伺服电机q轴电压；所述的关系表中共有N组电流iq和电压uq值，iq(n)表示电流iq和电压uq数据表中第n组数据中的iq值，uq(n)表示电流iq和电压uq数据表中第n组数据中的uq值，其中n为正整数，n＝1、2、3、…、N；
步骤2，交流伺服系统中速度环输出到q轴的指令电流
Figure GDA0002928601710000031
根据步骤1所述电流iq与电压uq的对应关系表，利用线性插值法查找指令电流
Figure GDA0002928601710000032
对应该的电压值
Figure GDA0002928601710000033
所述的
Figure GDA0002928601710000034
为前馈电压值，具体步骤为：
步骤2.1清零位置索引n，令位置索引n＝0；
步骤2.2位置索引n＝n+1；
步骤2.3对位置索引进行判断是否越界：
当n≥N时，则
Figure GDA0002928601710000035
等于第N组数据中的uq，进入步骤2.4；
当n＜N，且
Figure GDA0002928601710000036
大于第n组数据中的iq，则返回步骤2.2；
当n＜N，且
Figure GDA0002928601710000037
小于等于第n组数据中的iq，则
Figure GDA0002928601710000038
Figure GDA0002928601710000039
进入步骤2.4
步骤2.4，在隐极式三相交流永磁同步电机的q轴上加入前馈控制电压
Figure GDA00029286017100000310
进一步的，通过实验的方法获取隐极式三相交流永磁同步电机的电流iq和电压uq的对应关系表中的电流iq不超过所述同步电机额定电流的三倍。
有益效果：
现有交流伺服系统中，主要依赖于PI控制器反馈调节，这导致电流环的性能主要依赖于比例参数和积分参数，增加了调试的难度，即在PI参数设置欠佳时，电流环的性能不能得到充分的体现。在电流环的计算中加入电压前馈补偿，使负载的变化及时的反应到电流环当中，电流环及时的响应负载的变化，降低了PI反馈调节的负担，使得电流环的性能对比例参数和积分参数的依赖性大大降低，即使在PI参数设置不佳时，因有电压前馈的存在，也能将电流环的性能充分发挥出来。
附图说明
图1是交流伺服系统的构成图；
图2是电压前馈补偿的流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种交流伺服系统电流环中的电压前馈补偿方法：
步骤1，通过实验的方法获取隐极式三相交流永磁同步电机的电流iq和电压uq的对应关系表，所述的关系表中共有N组电流iq和电压uq值，iq(n)表示电流iq和电压uq数据表中第n组数据中的iq值，uq(n)表示电流iq和电压uq数据表中第n组数据中的uq值，其中n为正整数，n＝1、2、3、……N；如表1所示为通过实验的方法获取的隐极式三相交流永磁同步电机的电流iq与电压uq的对应关系表，对应关系表中的uq(1)到uq(N)的值逐次递增，uq(N)的取值用的是“试凑法”，即逐次增加电压uq(n)值，直至电流iq为电机额定电流的3倍，记下对应的电压值为uq(N)，从理论上讲，对应关系表格中的数据应该是越多越好，但考虑到计算机编程的方便，不宜将表格数据做得过多，但数据太少也会引起较大的计算误差，本实验中采用相邻每组数据间电压的增幅为1V，做出隐极式三相交流永磁同步电机的电流iq与电压uq的对应关系如表1所示。
表1隐极式三相交流永磁同步电机的电流iq与电压uq的对应关系
第n组 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
i<sub>q</sub>(A) 0.0 0.027 0.043 0.053 0.063 0.071 0.081 0.089 0.100 0.109 0.121
u<sub>q</sub>(V) 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
第n组 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
i<sub>q</sub>(A) 0.137 0.156 0.184 0.221 0.272 0.357 0.535 0.892 1.359 2.000 2.671
u<sub>q</sub>(V) 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0
第n组 23 24 25 26 27 28 29 30 31
i<sub>q</sub>(A) 3.430 4.137 4.905 5.646 6.411 7.160 7.842 8.549 9.197
u<sub>q</sub>(V) 22.0 23.0 24.0 25.0 26.0 27.0 28.0 29.0 30.0
步骤2，交流伺服系统中速度环输出到q轴的指令电流
Figure GDA0002928601710000041
利用线性插值法从步骤1所述电流iq与电压uq的对应关系表中查找指令电流
Figure GDA0002928601710000042
对应该的电压值
Figure GDA0002928601710000043
所述的
Figure GDA0002928601710000044
为前馈电压值，具体步骤为：
步骤2.1清零位置索引n，令位置索引n＝0；
步骤2.2位置索引n＝n+1；
步骤2.3对位置索引进行判断是否越界：
当n≥N时，则
Figure GDA0002928601710000051
等于第N组数据中的uq，对于表格1，则是N＝31，
Figure GDA0002928601710000052
等于第31组数据中的30V，进入步骤2.4；
当n＜N，且
Figure GDA0002928601710000053
大于第n组数据中的iq，则返回步骤2.2；
当n＜N，且
Figure GDA0002928601710000054
小于等于第n组数据中的iq，则
Figure GDA0002928601710000055
Figure GDA0002928601710000056
进入步骤2.4；
其中，iq(n)表示电流iq和电压uq数据表中第n组数据中的iq值，iq(n-1)表示电流iq和电压uq数据表中第n-1组数据中的iq值，uq(n)表示电流iq和电压uq数据表中第n组数据中的uq值，uq(n-1)表示电流iq和电压uq数据表中第n-1组数据中的uq值；
步骤2.4，在隐极式三相交流永磁同步电机的q轴上加入前馈控制电压
Figure GDA0002928601710000057

Claims (2)

1.交流伺服系统电流环中的电压前馈补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，通过实验的方法获取隐极式三相交流永磁同步电机的电流iq和电压uq的对应关系表，所述的iq是指隐极式三相交流永磁同步电机q轴电流，所述的uq是指伺服电机q轴电压；所述的关系表中共有N组电流iq和电压uq值，iq(n)表示电流iq和电压uq数据表中第n组数据中的iq值，uq(n)表示电流iq和电压uq数据表中第n组数据中的uq值，其中n为正整数，n＝1、2、3、……N；
步骤2，交流伺服系统中速度环输出到q轴的指令电流
Figure FDA0002928601700000011
根据步骤1所述电流iq与电压uq的对应关系表，利用线性插值法查找指令电流
Figure FDA0002928601700000012
对应该的电压值
Figure FDA0002928601700000013
所述的
Figure FDA0002928601700000014
为前馈电压值，具体步骤为：
步骤2.1清零位置索引n，即令位置索引n＝0；
步骤2.2位置索引n＝n+1；
步骤2.3对位置索引进行判断是否越界：
当n≥N时，则
Figure FDA0002928601700000015
等于第N组数据中的uq，进入步骤2.4；
当n＜N，且
Figure FDA0002928601700000016
大于第n组数据中的iq，则返回步骤2.2；
当n＜N，且
Figure FDA0002928601700000017
小于等于第n组数据中的iq，则
Figure FDA0002928601700000018
Figure FDA0002928601700000019
进入步骤2.4；
步骤2.4，在隐极式三相交流永磁同步电机的q轴上加入前馈控制电压
Figure FDA00029286017000000110
2.根据权利要求1所述的交流伺服系统电流环中的电压前馈补偿方法，其特征在于，通过实验的方法获取隐极式三相交流永磁同步电机的电流iq和电压uq的对应关系表中的电流iq不超过所述同步电机额定电流的三倍。
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