永磁同步电机伺服系统及永磁同步电机扰动优化抑制方法

1.本发明属于永磁同步电机伺服控制领域，具体涉及一种永磁同步电机伺服系统及永磁同步电机扰动优化抑制方法。


背景技术：

2.永磁同步电机因其具有效率高、结构简单、体积小、转矩输出比高等优点，常被作为跟踪控制系统的直接驱动机构。在电机稳定运行过程中，电机转子磁链谐波、齿槽转矩、逆变器死区效应等会引起周期性转矩波动，进而降低电机的跟踪精度。除了电机本身的力矩波动，外界摩擦、负载扰动等也会影响电机跟踪精度。摩擦作为一种非线性扰动，对速度平稳性影响显著，其死区非线性甚至会引起低速振荡进而降低指向精度。
3.针对复杂的非线性扰动，有学者提出改进的非线性pid控制，通过调整各项系数来提高扰动抑制能力，但其鲁棒性不高。另一种解决方法就是扰动补偿，其中基于扰动观测器的补偿算法无需描述被控对象的传递函数关系，不依赖于包含扰动的特定数学模型，也无需对扰动作用量进行直接测量，具有较强鲁棒性。而状态观测器作为一种通用的扰动观测器，相比于非线性观测器其参数易于整定，工程上更便于实现。
4.目前针对伺服系统的极限环问题，一般采用基于摩擦模型的方法进行分析，这类分析方法对摩擦进行非线性建模，但其精度严重依赖于摩擦的建模精度，难以在工程实践中快速有效地应用。与此同时，由于部分转矩波动如齿槽转矩具有与转速成固定关系的周期性，往往受限于状态观测器带宽，当电机转速提高时观测器并不能很好地补偿与转速相关的谐波分量。对于上述周期性波动，除了改变永磁同步电机本体设计结构方法外，迭代学习控制具有很好的学习和处理能力。有学者通过引入参数辨识策略，提出参数自适应迭代学习控制的转矩波动抑制策略，但参数辨识仅适用于稳态运行。选择常用的迭代学习控制方法，其中pd型迭代学习率能够获得更快的收敛速度，而pi型迭代学习率对转矩波动具有更好的抑制效果。在快速控制系统中，选用pd型迭代学习率获得更快的收敛速度。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种永磁同步电机伺服系统及永磁同步电机扰动优化抑制方法。
6.本发明采用的技术方案为：一种永磁同步电机伺服系统，包括：数字控制器1、功率驱动器2、电流传感器3、永磁同步电机4和角位置传感器5；数字控制器1由电流控制器101、复合速度控制器102、位置控制器103和颤震信号发生器104组成；复合速度控制器102由第一速度控制器1001、扩张状态观测器1002和迭代学习控制器1003组成。角位置传感器5安装于电机定子上，用来测量永磁同步电机4的转子相对于定子的位置信息，并将所述位置信息送至数字控制器1，数字控制器1将转子参考位置θ
ref
和反馈位置θ作差，送至位置控制器103输入端，位置控制器103完成电机转子位置闭环得到速度期望值ω
ref
。数字控制器1通过位置信息计算电机定子的角速度ω，其与速度期望值ω
ref
之差e(即e＝ω
ref-ω)首先送至第
一速度控制器1001完成速度闭环得到电流控制量i0；角速度ω和电流控制量i2同时送至扩张状态观测器1002进行计算得到扰动电流i1，扰动电流i1以负反馈形式加入电流控制量i0得到电流控制量i2；同时误差e、转子位置θ以及期望电流i
ref
作为迭代学习控制器1003的输入，其输出i3作为正反馈加入电流控制量i2得到期望电流i
ref
。颤震信号发生器104输出颤震电流ib与期望电流相加作为电流控制器101输入。电流传感器3安装于永磁同步电机三相线之上，用于测量永磁同步电机4三相电流，数字控制器1将所述电流传感器3的反馈电流进行坐标变换得到力矩电流iq，上述力矩电流iq作为负反馈信号加入电流控制器101输入端，其与期望电流i
ref
送至电流控制器101经过闭环控制得到驱动电压u并送至功率驱动器2，即可完成永磁同步电机4的高精度伺服控制。
7.进一步地，所述第一速度控制器1001设计原则使得速度开环传递函数至少为i型系统，以抑制恒定的摩擦力矩和负载力矩。
8.进一步地，所述扩张状态观测器1002为线性结构，参数易于整定、不依赖于系统精确模型，能够对低频扰动具有较好的观测和抑制能力。所述扩张状态观测器1002模型为：
[0009][0010][0011]
其中，为ω的观测信号，为扰动力矩的观测信号，ε为阻尼系数，ω0为观测带宽，k
t
为力矩系数，j为转动惯量。
[0012]
进一步地，所述迭代学习控制器103具有学习、优化功能，能够对第一速度控制器101和扩张状态观测器102作用之后的周期性误差进行抑制。所述迭代学习控制器103速度优化算法为：
[0013][0014]
其中，l(s)为学习函数，选用比例微分学习函数；q(s)为滤波函数，选用低通滤波函数；j表示迭代周期；k代表每个迭代周期中的采样点；e为迭代学习控制器1003的输入信号；α为调节因子，kp为学习函数比例系数，kd为学习函数微分系数，τ为一阶惯性环节的时间常数，s为拉普拉斯算子，i为迭代学习控制器1003的输出信号。
[0015]
进一步地，所述转子位置信息θ为电机转子旋转一圈0
°
～360
°
；电机旋转一周即为一个迭代周期，每个周期采样点根据转子位置θ产生。
[0016]
进一步地，所述颤震信号发生器104输出的颤震信号幅值需至少克服静摩擦的前提下尽可能小，其频率需高于速度带宽频段。颤震信号注入策略与速度大小负相关，保证颤震信号主要在极低速情况下起作用。
[0017]
一种永磁同步电机扰动优化抑制方法，所述方法基于上述永磁同步电机伺服系统实现，其特征在于：永磁同步电机扰动优化抑制方法实现过程：
[0018]
(1)电流传感器3安装于永磁同步电机三相线之上，角位置传感器5安装于电机定
子上；
[0019]
(2)设计空间矢量调制算法将电流控制器101的输出电压经过坐标变换和空间矢量调制得到三相pwm驱动电压送至功率驱动器驱动电机运转；
[0020]
(3)设计电流控制器101，所述电流控制器101采用比例积分控制算法，其中ki为比例系数，bi为积分系数，使电流环带宽大于300hz，以保证永磁同步电机4力矩响应速度；
[0021]
(4)设计第一速度控制器1001，所述电流控制器101采用比例积分控制算法，其参数kv和bv的整定方式采用pid控制器参数的整定方式，并将上述参数离散化后得到控制器参数；
[0022]
(5)设计状态观测器1002，通过整定观测器带宽ω0使其能对电机扰动力矩进行观测，并相比第一速度控制器降低低频扰动抑制能力，将状态观测器1002得到的输出扰动电流i1作为负反馈加入第一速度控制器输出电流控制量i0；
[0023]
(6)给定恒定的速度参考信号，使永磁同步电机在第一速度控制器1001和状态观测器1002的作用下匀速转动多个周期，直至速度误差稳定；之后将迭代控制器1003输出的电流优化控制量i3作为正反馈和电流控制量i2相加，送至电流控制器101的输入端，通过设计迭代控制器1003调节因子α和pd参数来优化电机跟踪误差信息；
[0024]
(7)给定极低速参考信号，辨识系统克服静摩擦力需要的最小驱动电流，设置颤震信号发生器104输出ib幅值，通过整定系数kb来设置需要注入颤震信号的低速范围；
[0025]
(8)设计位置控制器101，其参数k
p
和b
p
的整定方式采用pid控制器参数的整定方法。
[0026]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0027]
(1)本发明提出的基于扰动观测器的复合扰动抑制方法在无附加硬件条件，且不依赖于精确的扰动模型情况下，实现对扰动的观测和主动抑制，控制简单易于实现。
[0028]
(2)本发明提出的基于扰动观测器的复合扰动抑制方法，改善了单一扰动观测器带宽受限抑制能力不足的问题，克服了电机极低速运行时的“极限环”，进一步抑制了电机快速旋转时的周期性扰动。
附图说明
[0029]
图1为本发明的永磁同步电机伺服系统结构图，其中，1为数字控制器，2为功率驱动器，3为电流传感器，4为永磁同步电机，5为角位置传感器，101为电流控制器，102为复合速度控制器，103为位置控制器，104为颤震信号发生器，1001为第一速度控制器，1002为扩张状态观测器，1003为迭代学习控制器；
[0030]
图2为本发明的永磁同步电机伺服系统伺服控制实现流程图；
[0031]
图3为复合速度控制器结构示意图；
[0032]
图4为速度闭环采用第一速度控制器和加入扩张状态观测器的扰动抑制频域特性；
[0033]
图5为颤震信号系数；
[0034]
图6为定点引导加入颤震信号后误差相平面收敛实验结果；
[0035]
图7为采用不同控制器的电机跟踪精度频域对比；
[0036]
图8为复合速度控制器对扰动力矩的观测。
具体实施方式
[0037]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0038]
首先结合图1介绍的永磁同步电机伺服系统构成。永磁同步电机伺服系统包括：数字控制器1、功率驱动器2、电流传感器3、永磁同步电机4和角位置传感器5；数字控制器1由电流控制器101、复合速度控制器102、位置控制器103和颤震信号发生器104组成；复合速度控制器102由第一速度控制器1001、扩张状态观测器1002和迭代学习控制器1003组成。
[0039]
其中，角位置传感器5安装于电机定子上，用来测量永磁同步电机4的转子相对于定子的位置信息，并将所述位置信息送至数字控制器1，数字控制器1将转子参考位置θ
ref
和反馈位置θ作差，送至位置控制器103输入端，位置控制器103完成电机转子位置闭环得到速度期望值ω
ref
。数字控制器1通过位置信息计算电机定子的角速度ω，其与速度期望值ω
ref
之差e(e＝ω
ref-ω)首先送至第一速度控制器1001完成速度闭环得到电流控制量i0；角速度ω和电流控制量i2同时送至扩张状态观测器1002进行计算得到扰动电流i1，扰动电流i1以负反馈形式加入电流控制量i0得到电流控制量i2；同时误差e、转子位置θ以及期望电流i
ref
作为迭代学习控制器1003的输入，其输出i3作为正反馈加入电流控制量i2得到期望电流i
ref
。颤震信号发生器104输出颤震电流ib与期望电流相加作为电流控制器101输入。电流传感器3安装于永磁同步电机三相线之上，用于测量永磁同步电机4三相电流，数字控制器1将所述电流传感器3的反馈电流进行坐标变换得到力矩电流iq，上述力矩电流iq作为负反馈信号加入电流控制器101输入端，其与期望电流i
ref
送至电流控制器101经过闭环控制得到驱动电压u并送至功率驱动器2，即可完成永磁同步电机4的高精度伺服控制。
[0040]
结合图2所示的流程图，永磁同步电机完成高精度伺服控制的过程如下：
[0041]
(1)电流传感器3安装于永磁同步电机三相线之上，角位置传感器5安装于电机定子上；
[0042]
(2)设计空间矢量调制算法将电流控制器101的输出电压经过坐标变换和空间矢量调制得到三相pwm驱动电压送至功率驱动器驱动电机运转；
[0043]
(3)设计电流控制器101，所述电流控制器101采用比例积分控制算法,其中ki为比例系数，bi为积分系数。使电流环带宽大于300hz，以保证永磁同步电机4力矩响应速度。
[0044]
(4)设计第一速度控制器1001，所述电流控制器101采用比例积分控制算法。其参数kv和bv的整定方式采用pid控制器参数的整定方式，并将上述参数离散化后得到控制器参数；
[0045]
(5)设计状态观测器1002，通过整定观测器带宽ω0使其能对电机扰动力矩进行观测，并相比第一速度控制器降低低频扰动抑制能力。将状态观测器1002得到的输出扰动电流i1作为负反馈加入第一速度控制器输出电流控制量i0；
[0046]
(6)给定恒定的速度参考信号，使永磁同步电机在第一速度控制器1001和状态观测器1002的作用下匀速转动多个周期，直至速度误差稳定；之后将迭代控制器1003输出的电流优化控制量i3作为正反馈和电流控制量i2相加，送至电流控制器101的输入端，通过设计迭代控制器1003调节因子α和pd参数来优化电机跟踪误差信息；
[0047]
(7)给定极低速参考信号，辨识系统克服静摩擦力需要的最小驱动电流，设置颤震信号发生器104输出ib幅值，通过整定系数kb来设置需要注入颤震信号的低速范围；
[0048]
(8)设计位置控制器101，其参数k
p
和b
p
的整定方式采用pid控制器参数的整定方法。
[0049]
本实施例中角位置传感器5采用圆光栅；电流传感器3采用霍尔电流传感器；数字控制器1采用基于vxworks的嵌入式系统并运行于powerpc上；功率驱动器的开关频率为10khz；永磁同步电机4部分参数如下：电感r＝4.25ω；电阻l＝6.76mh；力矩系数k
t
＝4.77nm/a；j＝0.175kg
·
m2。
[0050]
具体的，本发明的具体实施实例如下：
[0051]
(1)设计电流控制器离散后参数为：ki＝21.63；bi＝0.9679；
[0052]
(2)设计第一速度控制器离散后参数为：kv＝7.7；bv＝0.971；
[0053]
(3)结合图3所示的复合速度控制器示意图，设计扩张状态观测器1002参数如下：b＝27.2，ω0＝30π；
[0054]
(4)结合图3所示的复合速度控制器示意图，设计迭代学习控制器1003参数如下：α＝1.0，k
p
＝10，kd＝5.0，τ＝0.0159，每周期采样点数：2880；
[0055]
(5)设计位置控制器离散后参数为：k
p
＝120，b
p
＝0.985；
[0056]
(6)给定位置参考信号给定斜坡信号，速度为125
°
/s；
[0057]
(7)颤震信号幅值为0.01a，频率为40hz，系数为
[0058]
在伺服控制系统中速度闭环采用第一速度控制器和加入状态观测器后的扰动抑制频域特性如图4所示，其中“点划线”代表仅采用第一速度控制器(pi)，“实线”代表加入状态观测器后，图4中横坐标为频率，图4中纵坐标为扰动输出函数的幅值和相角；可以看出系统在小于20hz的低频段扰动抑制能力明显提升，在10hz处的扰动抑制比降低了3.1db。
[0059]
图5为颤震信号系数，图5中横坐标为电机参考速度，图5中纵坐标为颤震信号整定系数。整定系数随着电机参考速度的增加而减小，使颤震信号仅在低速情况下起作用。
[0060]
给定位置定点引导时，引入颤震信号误差相平面变化如图6所示，图6中横坐标为电机位置闭环误差，图6中纵坐标为电机速度。可以看到加入颤震信号后，原本存在的位置极限环开始收敛，定点误差有效值由0.545
″
降低至0.036
″
。
[0061]
给定参考位置斜坡信号，电机跟踪精度的频域分析如图7所示，图7中横坐标为频率，图7中纵坐标为不同控制方式的误差幅值；其中“点划线带圆点标记”表示速度闭环仅采用第一速度控制器的跟踪精度，“短划线”表示加入状态观测器后的跟踪精度，“实线”表示采用本发明中的复合速度控制器时跟踪精度。误差有效值分别为4.0371
″
，2.3032
″
，1.8446
″
，其中复合控制器使0.35hz处误差由2.957
″
降低至0.802
″
；在7.65hz处误差由3.377
″
降低至1.542
″
。所提永磁同步电机伺服控制方法能大幅提高电机跟踪精度。
[0062]
在电机快速运行过程中，采用复合速度控制器对力矩进行观测和补偿结果如图8所示，图8中横坐标为电机转子位置，图8中纵坐标为观测的力矩大小；其中“实线带星标记”表示状态观测器观测的扰动力矩，“点划线”表示迭代学习补偿的周期性扰动力矩。结果表明状态观测器能很好地观测出力矩扰动中非线性扰动力矩以及部分周期性转矩，而迭代学习控制器则对周期性转矩进一步补偿。
[0063]
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在
本发明的包含范围之内。

技术特征：
1.一种永磁同步电机伺服系统，其特征在于：包括：数字控制器(1)、功率驱动器(2)、电流传感器(3)、永磁同步电机(4)和角位置传感器(5)；数字控制器(1)由电流控制器(101)、复合速度控制器(102)、位置控制器(103)和颤震信号发生器(104)组成；复合速度控制器(102)由第一速度控制器(1001)、扩张状态观测器(1002)和迭代学习控制器(1003)组成；角位置传感器(5)安装于电机定子上，用来测量永磁同步电机(4)的转子相对于定子的位置信息，并将所述位置信息送至数字控制器(1)，数字控制器(1)将转子参考位置θ
ref
和反馈位置θ作差，送至位置控制器(103)输入端，位置控制器(103)完成电机转子位置闭环得到速度期望值ω
ref
，数字控制器(1)通过位置信息计算电机定子的角速度ω，其与速度期望值ω
ref
之差e(即e＝ω
ref-ω)首先送至第一速度控制器(1001)完成速度闭环得到电流控制量i0；角速度ω和电流控制量i2同时送至扩张状态观测器(1002)进行计算得到扰动电流i1，扰动电流i1以负反馈形式加入电流控制量i0得到电流控制量i2；同时误差e、转子位置θ以及期望电流i
ref
作为迭代学习控制器(1003)的输入，其输出i3作为正反馈加入电流控制量i2得到期望电流i
ref
，颤震信号发生器(104)输出颤震电流i
b
与期望电流相加后送至电流控制器(101)，电流传感器(3)安装于永磁同步电机三相线之上，用于测量永磁同步电机(4)三相电流，数字控制器(1)将所述电流传感器(3)的反馈电流进行坐标变换得到力矩电流i
q
，上述力矩电流i
q
作为负反馈信号加入电流控制器(101)输入端，其与期望电流i
ref
送至电流控制器(101)经过闭环控制得到驱动电压u并送至功率驱动器(2)，即可完成永磁同步电机(4)的高精度伺服控制。2.根据权利要求1所述永磁同步电机伺服控制系统，其特征在于：所述第一速度控制器(1001)设计原则使得速度开环传递函数至少为i型系统，以抑制恒定的摩擦力矩和负载力矩。3.根据权利要求1所述永磁同步电机伺服控制系统，其特征在于：所述扩张状态观测器(1002)为线性结构，参数易于整定、不依赖于系统精确模型，能够对低频扰动具有较好的观测和抑制能力，所述扩张状态观测器(1002)模型为：测和抑制能力，所述扩张状态观测器(1002)模型为：其中，为ω的观测信号，为扰动力矩的观测信号，ε为阻尼系数，ω0为观测带宽，k
t
为力矩系数，j为转动惯量。4.根据权利要求1所述永磁同步电机伺服控制系统，其特征在于：所述迭代学习控制器(103)具有学习、优化功能，能够对第一速度控制器(101)和扩张状态观测器(102)作用之后的周期性误差进行优化，所述迭代学习控制器(103)速度优化算法为：
其中，l(s)为学习函数，选用比例微分学习函数；q(s)为滤波函数，选用低通滤波函数；j表示迭代周期；k代表每个迭代周期中的采样点；e为迭代学习控制器(1003)的输入信号；α为调节因子，kp为学习函数比例系数，k
d
为学习函数微分系数，τ为一阶惯性环节的时间常数，s为拉普拉斯算子，i为迭代学习控制器(1003)的输出信号。5.根据权利要求1所述永磁同步电机伺服控制系统，其特征在于：所述转子位置信息θ为电机转子旋转一圈0
°
～360
°
；电机旋转一周即为一个迭代周期，每个周期采样点根据转子位置θ产生。6.根据权利要求1所述永磁同步电机伺服控制系统，其特征在于：所述颤震信号发生器(104)输出的颤震信号幅值需至少克服静摩擦的前提下尽可能小，其频率需高于速度带宽频段；颤震信号注入策略与速度大小负相关，保证颤震信号主要在极低速情况下起作用。7.一种永磁同步电机扰动优化抑制方法，所述方法基于永磁同步电机伺服系统实现，其特征在于：永磁同步电机扰动优化抑制方法实现过程：(1)电流传感器(3)安装于永磁同步电机三相线之上，角位置传感器(5)安装于电机定子上；(2)设计空间矢量调制算法将电流控制器(101)的输出电压经过坐标变换和空间矢量调制得到三相pwm驱动电压送至功率驱动器驱动电机运转；(3)设计电流控制器(101)，所述电流控制器(101)采用比例积分控制算法，其中k
i
为比例系数，b
i
为积分系数，使电流环带宽大于300hz，以保证永磁同步电机(4)力矩响应速度；(4)设计第一速度控制器(1001)，所述电流控制器(101)采用比例积分控制算法，其参数kv和bv的整定方式采用pid控制器参数的整定方式，并将上述参数离散化后得到控制器参数；(5)设计状态观测器(1002)，通过整定观测器带宽ω0使其能对电机扰动力矩进行观测，并相比第一速度控制器降低低频扰动抑制能力，将状态观测器(1002)得到的输出扰动电流i1作为负反馈加入第一速度控制器输出电流控制量i0；(6)给定恒定的速度参考信号，使永磁同步电机在第一速度控制器(1001)和状态观测器(1002)的作用下匀速转动多个周期，直至速度误差稳定；之后将迭代控制器(1003)输出的电流优化控制量i3作为正反馈和电流控制量i2相加，送至电流控制器(101)的输入端，通过设计迭代控制器(1003)调节因子α和pd参数来优化电机跟踪误差信息；(7)给定极低速参考信号，辨识系统克服静摩擦力需要的最小驱动电流，设置颤震信号发生器(104)输出i
b
幅值，通过整定系数k
b
来设置需要注入颤震信号的低速范围；(8)设计位置控制器(101)，其参数k
p
和b
p
的整定方式采用pid控制器参数的整定方法。

技术总结
本发明提供了一种永磁同步电机伺服系统及永磁同步电机扰动优化抑制方法，永磁同步电机伺服系统包括数字控制器(1)、功率驱动器(2)、电流传感器(3)、永磁同步电机(4)和角位置传感器(5)；数字控制器(1)由电流控制器(101)、复合速度控制器(102)、位置控制器(103)和颤震信号发生器(104)组成；复合速度控制器(102)由第一速度控制器(1001)、扩张状态观测器(1002)和迭代学习控制器(1003)组成。本发明不依赖于精确的电机模型即可观测永磁同步电机在快速运行过程中受到的非线性摩擦力矩、齿槽力矩等扰动，将观测出的扰动力矩补偿至闭环系统，同时克服低速情况下死区非线性引起的极限环振荡，增强控制器的低频扰动抑制能力，提高电机跟踪精度。跟踪精度。跟踪精度。


技术研发人员：温飘 李锦英 陈兴龙 张清明 马荣崎 陈科 包启亮
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2023.02.06
技术公布日：2023/8/4