本發(fā)明屬于機(jī)電控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體為一種基于觀測補(bǔ)償和耦合調(diào)節(jié)的電機(jī)弱磁控制方法。
背景技術(shù)：
：隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的迅猛發(fā)展，伺服電機(jī)已經(jīng)在各個行業(yè)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，特別是機(jī)械制造、機(jī)器人工業(yè)、冶金、數(shù)控和航空航天等對控制精度要求較高的領(lǐng)域。而近年來隨著永磁材料的不斷發(fā)展，永磁體去磁能力得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)，為伺服電機(jī)弱磁控制的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；數(shù)控加工設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人等應(yīng)用場合，為了追求更高的工作效率，要求伺服電機(jī)可以平穩(wěn)運(yùn)行在更高的速度范圍，這為伺服電機(jī)弱磁控制的發(fā)展和應(yīng)用提供了新的契機(jī)。迄今為止，本
技術(shù)領(lǐng)域：
內(nèi)研究較多的弱磁算法是負(fù)id補(bǔ)償法，負(fù)id補(bǔ)償法是一種直軸、交軸雙電流環(huán)調(diào)節(jié)算法，具體又包括查表法、公式計算法、梯度下降法和電壓反饋補(bǔ)償法等。負(fù)id補(bǔ)償法由于需要同時設(shè)計直軸、交軸兩個電流環(huán)控制算法，就面臨著直軸、交軸電流環(huán)強(qiáng)耦合性的問題，這種強(qiáng)耦合性在電機(jī)高轉(zhuǎn)速、高過載運(yùn)行時表現(xiàn)得更為明顯。直軸、交軸電流環(huán)的強(qiáng)耦合性使得這種弱磁算法難以獲得好的動態(tài)效果，這也成為了負(fù)id補(bǔ)償法的研究難題。本
技術(shù)領(lǐng)域：
的另一種弱磁算法是基于耦合調(diào)節(jié)的單電流環(huán)調(diào)節(jié)弱磁算法，文獻(xiàn)【基于交直軸電流耦合的單電流調(diào)節(jié)器永磁同步電機(jī)弱磁控制】闡述了這種算法：具體是在伺服電機(jī)弱磁運(yùn)行時只調(diào)節(jié)直軸電流，交軸電流則是直接利用直軸、交軸電流環(huán)的耦合來控制。單電流環(huán)調(diào)節(jié)弱磁算法由于直接利用耦合調(diào)節(jié)，直接解決了雙電流環(huán)調(diào)節(jié)算法中直軸對交軸的強(qiáng)耦合問題；并且由于省略了交軸電流環(huán)的控制算法，單電流環(huán)調(diào)節(jié)弱磁算法在控制上也比雙電流環(huán)調(diào)節(jié)算法更簡潔。因此單電流環(huán)調(diào)節(jié)弱磁算法具有受耦合影響小、控制算法簡潔的優(yōu)點(diǎn)。雖然單電流環(huán)調(diào)節(jié)弱磁算法具有以上獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但是也對直軸電流控制算法提出了更高的要求，這是由于在單電流環(huán)調(diào)節(jié)算法的框架下，交軸電流直接由耦合來調(diào)節(jié)，不存在閉環(huán)控制誤差，控制誤差集中體現(xiàn)在直軸電流控制算法上。因此，單電流環(huán)調(diào)節(jié)算法要求直軸電流控制算法具有更高的控制精度和更好的動態(tài)性能。另外，具體在調(diào)節(jié)直軸電流時，還存在著交軸對直軸的強(qiáng)耦合性問題，而傳統(tǒng)的單電流環(huán)調(diào)節(jié)算法對直軸電流仍采用PI控制，難以解決這樣的強(qiáng)耦合性問題，算法的動態(tài)性能不令人滿意。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：發(fā)明目的：本發(fā)明要解決的問題是改善現(xiàn)有伺服電機(jī)單電流環(huán)調(diào)節(jié)弱磁算法的動態(tài)性能，提出了一種基于觀測補(bǔ)償和耦合調(diào)節(jié)的弱磁控制方法，獲得了更好的動態(tài)性能。技術(shù)方案：一種基于觀測補(bǔ)償和耦合調(diào)節(jié)的弱磁控制方法，包括以下步驟：步驟一：弱磁使能判斷單元，首先根據(jù)直流母線電壓求得弱磁極限電壓usmax，然后比較弱磁極限電壓和電機(jī)端電壓us的大小，判斷弱磁算法是否使能；步驟二：直軸耦合觀測單元，根據(jù)直軸電壓方程設(shè)計直軸耦合觀測算法，得到直軸耦合估計值步驟三：直軸電壓生成單元，由步驟二得到的直軸耦合估計值和直軸電流調(diào)節(jié)器，生成直軸電壓ud；步驟四：交軸電壓生成單元，根據(jù)步驟一得到的弱磁極限電壓usmax和步驟三得到的直軸電壓ud生成交軸電壓uq。進(jìn)一步的，所述步驟一具體為：若us≤usmax，則弱磁使能，進(jìn)入步驟二；若us＞usmax，則弱磁不使能，使用id＝0控制。進(jìn)一步的，所述步驟二具體為：首先建立如下的直軸電壓方程，式中，Ud表示直軸電壓方程中的直軸電壓；Ld表示d軸電感；Lq表示q軸電感；R為定子電阻；ω為伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速；id為直軸電流；iq為交軸電流；令d＝Rid-ωLqiq為直軸耦合，設(shè)計觀測器得到d的估計值觀測器形式根據(jù)具體需求選擇；進(jìn)一步的，所述觀測器的形式為：式中，z為電壓觀測中間變量，為z的微分，為直軸耦合估計值，L為直軸擾動觀測器增益，u為觀測對象的控制輸入，x為觀測對象的狀態(tài)變量，選取合適的L可以保證趨近于d。進(jìn)一步的，所述步驟三具體為：令ud1為所采用直軸電流調(diào)節(jié)器的輸出，結(jié)合步驟二得到的直軸耦合估計值即可生成直軸電壓為進(jìn)一步的，所述步驟四具體為：令uq為交軸電壓，結(jié)合步驟一得到的弱磁極限電壓usmax和步驟三得到的直軸電壓ud，即刻生成交軸電壓為有益效果：本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)形式簡單、動態(tài)性能更好的交流伺服電流控制，有益效果具體表現(xiàn)為：(1)形式簡單，容易實(shí)現(xiàn)。與現(xiàn)有單電流環(huán)調(diào)節(jié)弱磁算法相比，本發(fā)明的控制邏輯沒有變得過于復(fù)雜，工程上同樣很容易實(shí)現(xiàn)。(2)通過擾動觀測和耦合調(diào)節(jié)，消除了伺服電機(jī)交、直軸電流環(huán)非線性和強(qiáng)耦合對動態(tài)性能帶來的不利影響。(3)圖3對比說明了本發(fā)明中的有益效果。從圖3中可以看出現(xiàn)有單電流環(huán)調(diào)節(jié)弱磁算法和本發(fā)明的控制方式都具有很好的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差≈0，而在動態(tài)性能上，本發(fā)明明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。附圖說明圖1是本發(fā)明的步驟流程說明圖。圖2是本發(fā)明的弱磁使能后控制原理圖，圖中未定義的變量均為本領(lǐng)域內(nèi)公知的定義方式，故不再重復(fù)定義。圖3是本發(fā)明的有益效果仿真圖。其中實(shí)線表示給定轉(zhuǎn)速，點(diǎn)線表示現(xiàn)有單電流環(huán)調(diào)節(jié)弱磁算法的控制效果，虛線表示本發(fā)明的控制效果。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。本發(fā)明為一種伺服電機(jī)的弱磁控制方法，具體是一種基于觀測補(bǔ)償和耦合調(diào)節(jié)的弱磁控制方法，步驟流程如圖1所示，具體步驟如下：步驟一：弱磁使能判斷單元，首先根據(jù)直流母線電壓求得弱磁極限電壓usmax，然后比較弱磁極限電壓和電機(jī)端電壓us的大小。若us≤usmax，則弱磁使能，進(jìn)入步驟二；若us＞usmax，則弱磁不使能，使用id＝0算法。步驟二：直軸耦合觀測單元，根據(jù)直軸電壓方程設(shè)計直軸耦合觀測算法，估計出直軸擾動步驟三：直軸電壓生成單元，由步驟二得到的直軸耦合估計值和直軸電流調(diào)節(jié)器，生成直軸電壓ud；步驟四：交軸電壓生成單元，根據(jù)步驟一得到的弱磁極限電壓usmax和步驟三得到的直軸電壓ud生成交軸電壓uq。為了說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式，下面結(jié)合MatlabR2014a軟件進(jìn)行闡述。仿真電機(jī)參數(shù)設(shè)置為：定子電阻R為0.968Ω；極對數(shù)nP為4；d軸電感Ld為2.16mH；q軸電感Lq為2.16mH；額定電流為4A；額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，電流環(huán)控制周期為50μs。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)設(shè)計步驟說明。步驟一：弱磁使能判斷單元，首先根據(jù)直流母線電壓udc求得弱磁極限電壓usmax，然后比較弱磁極限電壓和端電壓us的大小。若us≥usmax，則弱磁使能，進(jìn)入步驟二；若us＜usmax，則弱磁不使能，不使用弱磁算法，而使用id＝0算法。所述弱磁極限電壓usmax是伺服電機(jī)的控制主回路逆變器可輸出的最大電壓幅值，所述直流母線電壓udc是伺服電機(jī)的控制主回路上直流母線上所加的電壓，弱磁極限電壓usmax可以根據(jù)直流母線電壓udc求得，具體方式如式(1)所示。所述端電壓us可由伺服電機(jī)的直軸電壓ud和交軸電壓uq求得，具體方式如式(2)所示。如果端電壓大于或等于弱磁極限電壓，即us≥usmax，則弱磁使能，采用步驟二、三、四表示的弱磁算法；如果端電壓小于弱磁極限電壓，即us＜usmax，則弱磁不使能，不采用步驟二、三、四表示的弱磁算法，而采用現(xiàn)有的id＝0算法。所述現(xiàn)有的id＝0算法，是指直軸給定電流為0，交軸給定電流為電機(jī)速度環(huán)輸出的一種傳統(tǒng)控制方法。步驟二：直軸耦合觀測單元，根據(jù)直軸電壓方程設(shè)計直軸耦合觀測算法，估計出直軸擾動所述直軸電壓方程如式(3)所示，式中，Ud表示直軸電壓方程中的直軸電壓；Ld表示d軸電感；Lq表示q軸電感；R為定子電阻；ω為伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速；id為直軸電流；iq為交軸電流。式(3)中的Rid-ωLqiq通過現(xiàn)有技術(shù)很難簡單且準(zhǔn)確地求出。令d＝Rid-ωLqiq為直軸耦合，本發(fā)明通過設(shè)計觀測器估計d，觀測器形式根據(jù)具體需求選擇。比如選取如下的觀測器方程：式中，z為電壓觀測中間變量，為z的微分，為直軸耦合估計值，L為直軸擾動觀測器增益，u為觀測對象的控制輸入，x為觀測對象的狀態(tài)變量。選取合適的L可以保證趨近于d。步驟三：直軸電壓生成單元，由步驟二得到的直軸耦合估計值和直軸電流調(diào)節(jié)器，生成直軸電壓ud。所述直軸電流調(diào)節(jié)器，可以采用常用的直軸電流PI調(diào)節(jié)器，也可以采用其他形式的調(diào)節(jié)器。這里以本
技術(shù)領(lǐng)域：
常采用的直軸電流PI調(diào)節(jié)器為例，說明本步驟的算法實(shí)施方式。所用直軸電流PI調(diào)節(jié)器的形式如式(5)所示，式中，ud1為直軸電流PI調(diào)節(jié)器的輸出，為直軸給定電流，Kp為比例增益，Ki為積分增益。根據(jù)直軸電流PI調(diào)節(jié)器的輸出ud1和步驟二得到的直軸耦合估計值即可生成直軸電壓ud，如式(6)所示。步驟四：交軸電壓生成單元，根據(jù)步驟一得到的弱磁極限電壓usmax和步驟三得到的直軸電壓ud生成交軸電壓uq。這里由于伺服電機(jī)進(jìn)入弱磁之后，端電壓達(dá)到極限，所以可以直接通過弱磁極限電壓usmax和步驟三得到的直軸電壓ud生成交軸電壓uq，如式(7)所示。如圖3所述的本發(fā)明的有益效果仿真圖。其中實(shí)線表示給定轉(zhuǎn)速，點(diǎn)線表示現(xiàn)有單電流環(huán)調(diào)節(jié)弱磁算法(現(xiàn)有技術(shù))的控制效果，虛線表示本發(fā)明的控制效果。為了說明動態(tài)響應(yīng)性能，以超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間為動態(tài)指標(biāo)，本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)的動態(tài)性能對比如下表所示，其中調(diào)節(jié)時間以進(jìn)入5％誤差帶為基準(zhǔn)。本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)超調(diào)量(％)0.52.5調(diào)節(jié)時間(ms)1286以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3