一種抗干擾的永磁同步電機電流環控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及交流永磁同步電機伺服系統，特別涉及一種抗干擾的永磁同步電機電 流環控制方法。
【背景技術】
[000引永磁同步電機伺服系統大多采用Η環控制結構，內環為電流環，外環為速度環和 位置環。為保證對位置和速度指令的快速跟蹤，要求電流環具有快速的電磁轉矩響應，電流 環的動態響應影響整個伺服系統的性能。
[0003] 電流環的干擾主要來自于反電勢和電流采樣。由于現在W數字處理器為核必的伺 服系統都采用PWM的方式控制電機，逆變器輸出的電壓信號中含有大量諧波，因此電流采 樣不可避免的受到噪聲和諧波干擾。另外反電勢與電機的轉子轉速成正比，而伺服電機的 轉動慣量往往很小，轉速的快速變化會給電流環帶來大量擾動。
[0004] 全數字伺服系統中，電流采集時容易引入噪聲干擾又逆變器輸出的電壓信號包含 大量的諧波。因此通常的采樣電流瞬時信號，不能很好的抑制噪聲和諧波干擾。
[0005] 目前對永磁同步電機的分析建立在將反電勢作為外部干擾的數學模型的基礎上 并根據"工程最優"將電流閉環整定成最優II階系統。但是采用此方法系統對反電勢擾動 的抑制能力較弱。因為一方面ΡΙ控制的積分時間抵消掉了系統大的電氣時間常數，大的積 分時間導致弱的積分作用；另一方面伺服系統為得到很好的速度響應，采用的伺
[0006] 服電機通常具有很小的機械時間常數，轉速的快速變化給電流環帶來大量的擾 動，反電勢的影響不能忽略。
【發明內容】
[0007] 為解決上述不足之處，本發明提供了一種抗干擾的永磁同步電機電流環控制方 法，W提高電流環的性能。
[0008] 本發明為實現上述目的所采用的技術方案是；一種抗干擾的永磁同步電機電流環 控制方法，包括W下步驟：
[0009] 采樣電機電流并計算其在一個載波周期的平均值；
[0010] 根據電流在一個載波周期的平均值計算電流環內的延時時間；
[0011] 將反電勢引入電流環，建立電流環的模型；
[0012] 采用比例雙積分控制并整定電機控制器參數。
[0013] 所述電流在一個載波周期的平均值為：
[0014]
(1)
[001引其中，Τ。。。是SVPWM的載波周期，r=^，i為電機的瞬時電流，t為時間，k為正 整數？。
[0016] 所述電流閉環內的延時時間Td為：
[0017]
(2)
[0018] 其中，L為PWM的更新延時，為死區時間，Τ。。^是SVPWM的載波周期。
[0019] 所述電流環的模型包括；電流控制器、逆變器、伺服電機和電流反饋；
[0020] 逆變器和系統延時的模型為
將反電勢考慮后的電機電氣特性為
其中Td是電流閉環內的延時時間，是逆變器放大系數，IV是電機 電氣比例系數，是電機電氣時間常數，Kt是電機電磁轉矩常數，Κ。是電機反電勢常數，J 是電機和負載的轉動慣量，S是拉普拉斯算子。
[0021] 所述采用比例雙積分控制并整定電機控制器參數，具體為：
[0022] 將電流環的模型離散化：將電機控制器對應時域
離散 化為：
[0023]
[0024] 其中，u(k)是電機控制器輸出，e化)，e(n)是誤差信號，ΔΤ電流環控制器更新周 期，Κρ，Ti分別是比例系數和積分時間；
[0025] 當電機控制器輸出達到上限且e(k)〉0時，
[0026] U (k) = Kp*e 化）
[0027] 當電機控制器輸出達到下限且e(k)<0時，
[0028] U (k) = Kp*e 化）
[0029] 否則，
[0030]
[0031] 本發明具有W下優點及有益效果：
[0032] 1.在電流信號中加入噪聲，采用平均采樣仍然能得到平滑信號，平均采樣能提高 系統的抗噪聲干擾能力。
[0033] 2.轉速的快速變化給電流環帶來大量反電勢干擾，改進的控制方法卻仍能做到接 近無差的跟蹤給定電流信號。
【附圖說明】
[0034] 圖1為伺服系統電流控制結構圖；
[003引圖2為反電勢引入電流閉環后結構圖；
[0036] 圖3為電流采樣時序；
[0037] 圖4為本發明的控制器算法流程圖；
[0038] 圖5為算法整體流程圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0040] 本發明提供了一種抗干擾的永磁同步電機電流環控制方法，如圖5所示，首先，提 出了平均采樣的電流采樣策略，該方法能有效抑制噪聲和諧波干擾，同時也確定了系統的 延時時間常數；然后，將反電勢引入電流閉環，建立了新電流控制環的模型；最后，為消除 靜差，提出了比例雙積分控制并整定了控制器參數。本發明方法從兩方面對傳統控制方法 進行了改進。
[0041] 考慮到積分能有效抑制諧波和噪聲，為解決采樣電流瞬時值時容易引入噪聲和諧 波的問題，將平均采樣引入永磁同步電機的電流采樣中來。電流在一個載波周期的平均值 定義為：
[0042]
C1 )
[0043] Τ。。^是SVPWM(空間矢量脈寬調制）的載波周期，在一個周期的平均值可W近似為 在周期中點采樣的基波值，即.I'w" 二;V,。
[0044] 電流采樣方式決定電流環中的主要延時時間Td。采用平均采樣方式，PWM占空比 在一個周期結束時刻更新，在下個載波周期結束生效，PWM的更新延時L，死區時間，電 流環延時Td值如式（2)。
[0045]
(2)
[0046] 電流環包括電流控制器、逆變器、電流采樣環節和永磁同步電機。
[0047] 將控制環內小延時環節等效為一階慣性環節，如式（3)，得到電流環的數學模型如 圖1所示。
[0048]
.任）
[004引其中是逆變器放大系數，Td是系統延時時間，是電機電氣比例系數，是 電機電氣時間常數，Kt是電機電磁轉矩常數，K。是電機反電勢常數，J是電機和負載的轉動 慣量，B是電機的粘滯摩擦系數，S是拉普拉斯算子。
[0050] 根據前面分析，反電勢干擾必須抑制，考慮對伺服控制系統的數學模型進行等效 變換，將反電勢引入電流控制閉環，在新模型上設計新的控制器。既然反電勢在電流閉環 內，就不存在干擾的問題了。
[0051] 由于電機的粘滯摩擦系數通常非常小，負載轉矩變化相對緩慢，為簡化分析，忽略 送些因素。又1；^>>了4，在系統截止頻率附近有|jwT>J >> 1，因此用積分環節近似慣性 環節得
[0052]
W
[0053] 綜上，考慮反電勢后電流環控制框圖如圖2,其中Tm = KeKtKiayj。
[0054] 在圖2中電流環控制對象的傳遞函數是二階系統且分子中含有微分項，普通的PI 控制一定會有穩態誤差。根據工程設計中常用的相消原理，將普通積分環節改為二次積分 W抵消分母的二次多項式，新的控制器傳遞函數為
[0055]
W
[005引 Κρ，Ti是控制比例系數和積分時間常數。取系統阻尼系數為尤/2得：
[0057]
(6)
[0058] 在硬件實現時，可W在一個SVPWM載波周期內多次采樣求和近似積分，如式：
[0059]
[0060] 其中Tiw是采樣間隔。
[0061] 采樣時序如圖3,目前高性能的DSP的A/D轉換器一般都具有多通道。可W實現 多個通道連續采樣。WTMS320F28335為例，其A/D控制器一共有16個通道。將其設置為 不間斷自動定序模式，在快速采樣模式下，TMS320F28335片上A/D采樣率高達6. 25MSPS而 SVPWM的載波頻率通常為10曲Z，送樣A/D能在一個載波周期內采樣到足夠多的數據。采用 送種采樣方式，PWM占空比在一個周期結束時刻更新，在下個載波周期結束生效。
[0062] 要在數字處理器上實現新的控制算法，需要將其離散化。控制器對應時域公式為
離散化后的公式為：
[0063]
[0064] 其中U化)，e(k)是控制器輸出，ΔΤ電流環控制器更新周期，Κρ，Ti分別是比例系 數和積分時間。為防止長時間的誤差導致積分飽和，在實現時采用越限削弱的策略，流程圖 如圖4所示。當u(k)在上下限區間時，執行正常的算法；當u(k)達到上限時，積分作用只 積累負誤差；當u(k)到下限后，積分只積累正誤差。
【主權項】
1. 一種抗干擾的永磁同步電機電流環控制方法，其特征在于，包括W下步驟： 采樣電機電流并計算其在一個載波周期的平均值； 根據電流在一個載波周期的平均值計算電流環內的延時時間； 將反電勢引入電流環，建立電流環的模型； 采用比例雙積分控制并整定電機控制器參數。2. 根據權利要求1所述的一種抗干擾的永磁同步電機電流環控制方法，其特征在于， 所述電流在一個載波周期的平均值為：(1) 其中，T。。^是SVPWM的載波周期，i為電機的瞬時電流，t為時間，k為正整 數。3. 根據權利要求1所述的一種抗干擾的永磁同步電機電流環控制方法，其特征在于， 所述電流閉環內的延時時間Td為：(2) 其中，L為PWM的更新延時，為死區時間，T。。^是SVPWM的載波周期。4. 根據權利要求1所述的一種抗干擾的永磁同步電機電流環控制方法，其特征在于， 所述電流環的模型包括；電流控制器、逆變器、伺服電機和電流反饋； 逆變器和系統延時的模型為將反電勢考慮后的電機電氣特性為;其中Td是電流閉環內的延時時間，是逆變器放大系數，是電機 電氣比例系數，是電機電氣時間常數，Kt是電機電磁轉矩常數，t是電機反電勢常數，J 是電機和負載的轉動慣量，S是拉普拉斯算子。5. 根據權利要求1所述的一種抗干擾的永磁同步電機電流環控制方法，其特征在于， 所述采用比例雙積分控制并整定電機控制器參數，具體為： 't'' t 將電流環的模型離散化；將電機控制器對應時域沛)MW J7如批油，離散化為： 0 O其中，u(k)是電機控制器輸出，e化)，e(n)是誤差信號，AT電流環控制器更新周期， Kp, Ti分別是比例系數和積分時間； 當電機控制器輸出達到上限且e化)〉0時， U 化）=Kp*e 化） 當電機控制器輸出達到下限且e (k) <0時， U 化）=Kp*e 化） 否則，
【專利摘要】本發明提供了一種抗干擾的永磁同步電機電流環控制方法，該方法從兩方面對傳統控制方法進行了改進。首先，提出了平均采樣的電流采樣策略，該方法能有效抑制噪聲和諧波干擾，同時也確定了系統的延時時間常數；然后，將反電勢引入電流閉環，建立了新電流控制環的模型；最后，為消除靜差，提出了比例雙積分控制并整定了控制器參數。該方法能提高電流環的抗干擾能力進而提高電流環的性能。
【IPC分類】H02P6/08
【公開號】CN105656362
【申請號】
【發明人】王志成, 趙志勇, 杜桂紅, 孫宇, 陳猛, 王澤鵬
【申請人】沈陽高精數控智能技術股份有限公司
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2014年11月13日