一种交流伺服驱动方法与流程

1.本发明涉及数字交流伺服系统，尤其涉及一种交流伺服驱动方法。


背景技术：

2.数字交流伺服系统是高端数控加工设备和机器人控制系统的核心功能部件。提升国产伺服驱动器的性价比也应是厂商追求的重要目标。由于早期的单片机(mcu)或数字信号处理器(dsp)性能不足等原因，国产伺服驱动器的控制电路多采用cpld dsp的架构，该架构的缺点是电路复杂，成本偏高。意法半导体(st)基于arm cortex
‑
m4内核的stm32f4系列单片机自带浮点运算单元和自适应实时加速器，工作频率高达168mhz，更有数字信号处理指令集来提高芯片的运算水平，这些优异的性能，有利于伺服驱动器中矢量控制、比例积分(pi)、前馈补偿等复杂数学算法的实现，同时stm32f系列单片机拥有丰富的外设资源和专业级的电机控制接口，完全可以脱离cpld芯片，单独作为伺服驱动器的核心控制单元，实现单核的控制电路架构。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明目的是提供一种交流伺服驱动方法，有效地提高伺服驱动器的动态特性，从而提高数控机床的加工精度。
4.技术方案：一种交流伺服驱动方法，包括位置环、速度环、电流环，每个环路由反馈控制器和前馈控制器组成，反馈控制器为比例调节器或比例积分调节器，前馈控制器为基于控制对象的数学模型。
5.进一步地，位置环中采用比例反馈调节，适应增量编码器和上位机控制器，采用增量调节模式，表达式如下：
[0006][0007]
其中，表示指令位置增量，δp
p
实际位置增量，k
pp
表示位置环的比例增益，e
p
表示位置环的跟踪误差，表示比例反馈调节输出的指令速度；
[0008]
位置环中的前馈因其输出的是指令速度的一部分，也称之为速度前馈，该前馈的输入是δp
*
，数学表达式如下：
[0009][0010]
其中，f
pff
表示位置环的前馈函数，f
pff
表示位置环的前馈系数，用百分数表示，表示位置环的前馈输出；
[0011]
位置环最终的输出表达式为：
[0012][0013]
其中，ω
*
表示位置环最终输出的指令速度。
[0014]
进一步地，速度环的反馈控制为比例积分调节，表达式如下：
[0015]
e
ω
＝ω
*
‑
ω
ꢀꢀ
(4)
[0016][0017]
其中，e
ω
表示当前周期的速度环跟踪误差，e
ω
(k)表示第k个周期的速度环跟踪误差，n表示当前周期数，k
ωp
、k
ωi
表示速度环的比例、积分调节系数，表示反馈调节输出的指令q轴电流；
[0018]
速度环的前馈调节表达式如下：
[0019][0020]
其中，表示静态前馈输出的指令q轴电流，表示动态前馈输出的指令q轴电流，k
ωfs
表示速度环静态前馈系数，百分数分子表示，k
ωfd
表示速度环动态前馈系数，用百分数表示，在前馈获取准确条件下，k
ωfs
和k
ωfd
取100％，表示前馈输出总的指令q轴电流；
[0021]
速度环最终的输出表达式为：
[0022][0023]
其中，表示指令q轴电流。
[0024]
进一步地，电流环中有d轴和q轴两个通道，两个通道的实际电流由实际相电流经clark和park变换而来，变换的数学表达式如下：
[0025][0026]
其中，i
u
、i
v
表示u、v相实际电流，θ
e
表示电机电角度，i
d
、i
q
表示d、q轴实际电流；
[0027]
d、q轴的反馈控制为比例积分调节，表达式如下：
[0028][0029][0030][0031][0032]
其中，表示d、q轴指令电流，在控制对象为隐极正弦波永磁同步电机时，e
id
、e
iq
表示d、q轴电流跟踪误差，k
idp
、k
iqp
表示d、q轴比例调节系数，k
idi
、k
iqi
表示d、q轴积分调节系数，表示d、q轴反馈调节输出。
[0033]
进一步地，当控制对象为隐极正弦波三相永磁同步电机时，d轴实际的电压、电流的趋于稳态，q轴的电压、电流随负载变化，为加强电流的响应能力，在q轴上加入前馈控制，表达式如下：
[0034]
[0035]
其中，f
iqff
表示电流环q轴的前馈函数，主要由电机在q轴上的伏安特性决定，表示电流环q轴的前馈电压；
[0036]
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，通过解耦控制消除，表达式如下：
[0037][0038][0039]
其中，l
d
、l
q
表示电机定子绕组在d、q轴上的等效电感，ψ
f
表示电机永磁体在dq坐标系下的等效磁链，表示d、q轴轴的解耦电压；
[0040]
经过反馈调节、前馈补偿和解耦计算，d、q轴总的指令电压为
[0041][0042][0043]
因svpwm基于αβ坐标系，将经逆park变换转换至αβ坐标系的指令电压转换方程如下：
[0044][0045]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：
[0046]
1)为基于单片机为核心的交流伺服电机控制提供了数学模型；
[0047]
2)消除了正弦波三相永磁同步电机相互干涉的旋转电动势；
[0048]
3)通过前馈控制器和反馈控制器，提高伺服电机控制的平稳性及精度，实现平稳和准确的目标跟踪，对负载和参数差异具有较好的鲁棒性，可灵活地应用于相关的数控加工设备和机器人控制系统。
附图说明
[0049]
图1为本发明的伺服控制电路的硬件组成示意图；
[0050]
图2为本发明的stm32f4代码中伺服核心算法的架构，图2中涉及变量符号均为当前周期的变量。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0052]
在硬件架构基础上，如图1所示。要实现位置指令脉冲、增量编码器脉冲、电机相电流处理。在图2为stm32f4中软件代码核心部分架构，包括虚线框所示的位置环、速度环、电流环三大部分，每个环路由反馈控制器和前馈控制器共同组成，电流环中需要dq轴解耦控制和坐标系统的转换运算，反馈控制器由比例调节器或比例积分调节器构成，前馈控制器则基于控制对象的数学模型，这些数学模型来自于理论推导或实验数据。图2中涉及变量符号均为当前周期的变量。
[0053]
运动伺服的三环控制系统，从内到外依次是电流环、速度环、位置环：
[0054]
电流环指的是电流反馈系统。电流环的输入是速度环pid调节后的输出，称为“电流环给定”，然后电流环的给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做pid调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相霍尔元件(磁场感应变为电流电压信号)反馈给电流环的。
[0055]
速度环指的是速度反馈系统。速度环的输入是位置环pid调节后的输出以及位置设定的前馈值，称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做pid调节(主要是比例增益和积分处理)后输出就是上述“电流环给定”。速度环的反馈来自于编码器反馈后的值经过“速度运算器”得到。
[0056]
位置环指的是位置反馈系统的输入就是外部的脉冲，外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的pid调节(比例增益调节，无积分微分环节)后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上述速度环的给定。位置环的反馈来自于编码器。
[0057]
本技术从位置环、速度环和电流环来阐述交流伺服控制算法：
[0058]
位置环：在位置控制系统中，通常都不希望位置的阶跃响应产生超调，因此，位置控制大多都采用比例反馈调节，为适应增量编码器和上位机控制器，采用增量调节模式，数学表达式如下：
[0059][0060]
其中，表示指令位置增量、δp
p
实际位置增量，k
pp
表示位置环的比例增益，e
p
表示位置环的跟踪误差，表示比例反馈调节输出的指令速度。
[0061]
位置环中的前馈因其输出的是指令速度的一部分，也称之为速度前馈，该前馈的输入是δp
*
，数学表达式如下：
[0062][0063]
其中，f
pff
表示位置环的前馈函数，f
pff
表示位置环的前馈系数，用百分数表示，在处理得当的情况下，k
pff
取100％，表示位置环的前馈输出。
[0064]
位置环最终的输出可表示为
[0065][0066]
其中，ω
*
表示位置环最终输出的指令速度。
[0067]
速度环：为兼顾动态误差和稳态跟踪误差，速度环的反馈控制为比例积分调节，用数学方程表示如下：
[0068]
e
ω
＝ω
*
‑
ω
ꢀꢀ
(4)
[0069][0070]
其中，e
ω
表示当前周期的速度环跟踪误差，e
ω
(k)表示第k个周期的速度环跟踪误差，n表示当前周期数，k
ωp
、k
ωi
表示速度环的比例、积分调节系数，表示反馈调节输出的指令q轴电流。
[0071]
速度环的前馈调节主要来自于伺服应用场合的动力学特性，包括静态特性和动态特性，分别主要由摩擦特性组成和加速度特性组成，这些特性需要在数学模型的约束下，用实验的方法获取，用数学方程表示如下：
[0072][0073]
其中，表示静态前馈输出的指令q轴电流，表示动态前馈输出的指令q轴电流，k
ωfs
表示速度环静态前馈系数，百分数分子表示，k
ωfd
表示速度环动态前馈系数，用百分数表示，在前馈获取准确条件下，k
ωfs
和k
ωfd
取100％，表示前馈输出总的指令q轴电流。
[0074]
速度环最终的输出由两部分合成，可表示为
[0075][0076]
其中，表示指令q轴电流。
[0077]
电流环：电流环中有d轴和q轴两个通道，两个通道的实际电流由实际相电流经clark和park变换而来，变换的数学表达式如下：
[0078][0079]
其中，i
u
、i
v
表示u、v相实际电流，θ
e
表示电机电角度，i
d
、i
q
表示d、q轴实际电流。
[0080]
d、q轴的反馈控制的为比例积分调节，数学表达式如下：
[0081][0082][0083][0084][0085]
其中，表示d、q轴指令电流，在控制对象为隐极正弦波永磁同步电机时，e
id
、e
iq
表示d、q轴电流跟踪误差，k
idp
、k
iqp
表示d、q轴比例调节系数，k
idi
、k
iqi
表示d、q轴积分调节系数，表示d、q轴反馈调节输出。
[0086]
当控制对象为隐极正弦波三相永磁同步电机时，d轴实际的电压、电流的趋于稳态，不需要加前馈补偿，q轴的电压、电流随负载而变化，为加强电流的响应能力，需要在q轴上加入前馈控制，其数学表达式如下：
[0087][0088]
其中，f
iqff
表示电流环q轴的前馈函数，主要由电机在q轴上的伏安特性决定，可由实验获取，表示电流环q轴的前馈电压。
[0089]
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i
d
、i
q
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：
[0090][0091][0092]
其中，l
d
、l
q
表示电机定子绕组在d、q轴上的等效电感，ψ
f
表示电机永磁体在dq坐标系下的等效磁链，表示d、q轴轴的解耦电压。
[0093]
经过反馈调节、前馈补偿和解耦计算，d、q轴总的指令电压为
[0094][0095][0096]
因svpwm(空间矢量脉宽调制)基于αβ坐标系，需将经逆park变换转换至αβ坐标系的指令电压转换方程如下：
[0097][0098]
stm32f的定时器tim8具有电机控制专用的6路pwm波输出，结合软件代码实现svpwm功能。
[0099]
本发明的具体实施方式中，未涉及到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。