一种基于二维系统的伺服电机电流控制方法及控制系统与流程

1.本发明涉及伺服控制领域，尤其涉及一种基于二维系统的伺服电机电流控制方法及控制系统。


背景技术：

2.伺服电机驱动系统广泛应用于自动化设备，如无人机、无人船和新能源汽车。现有的伺服电机电流控制技术基本上是采用矢量控制策略，即通过解耦算法把三相交流电转换成单相直流电来实现线性控制。现有的技术需要经过多次的坐标变换以及依赖电机机理模型的前馈控制，才能真正实现解耦线性控制。该技术计算复杂，而且过于依赖电机的机理模型。由于传统解耦控制技术过于依赖电机机理模型，一旦电机参数受到环境变化影响(如温度、湿度等升高)，电机机理模型也会发生变化，则现有的解耦控制技术的控制性能就会变差。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于二维系统的伺服电机电流控制方法及控制系统，加快电流的收敛性能，提高控制器性能。
4.本发明所采用的第一技术方案是：一种基于二维系统的伺服电机电流控制方法，包括以下步骤：
5.构建伺服电机的电流环数学模型；
6.引入电机参数时变和外部负载扰动调整电流环数学模型，得到调整后电流环模型；
7.对调整后电流环模型进行离散化，得到离散化电流环模型；
8.基于电流跟随误差和离散化电流环模型对伺服电机的电流环以二维闭环系统描述，得到二维控制系统；
9.根据二维控制系统构建控制器；
10.根据控制器的增益计算二维控制系统的输出，实现对伺服电机的电流控制。
11.进一步，所述伺服电机的电流环数学模型的公式表示如下：
[0012][0013]
上式中，i
d
和i
q
分别表示d轴和q轴的等效电流，u
d
和u
q
分别表示d轴和q轴的等效电压，l
d
和l
q
分别表示d轴和q轴的等效电感，r
s
是绕线等效电阻，ω表示角度，表示电机转子磁链。
[0014]
进一步，所述调整后电流环模型的公式表示如下：
[0015][0016]
上式中，δ表示电机参数变化量，δd表示电机外部扰动。
[0017]
进一步，所述离散化电流环模型的公式表示如下：
[0018][0019]
上式中，i
d
(i 1,j)表(i 1,j)时刻d轴的电流值，i
q
(i,j 1)表示(i,j 1)时刻q轴的电流值，u(i,j)表示电机电流环的控制输入，y(i,j)表示电流环系统的输出，y
q
(i,j)表示q轴输出，y
d
(i,j)表示d轴输出，和表示对应的参数矩阵，和分别表示和的变化量，d(i,j)表示(i,j)时刻的干扰。
[0020]
进一步，所述二维电流闭环系统的公式表示如下：
[0021][0022]
上式中，e
d
(i 1,j)表示d轴电流在(i 1,j)时刻的跟随误差，e
q
(i,j 1)表示q轴电流在(i 1,j)时刻的跟随误差，e
d
(i,j)表示d轴电流在(i,j)时刻的跟随误差，e
q
(i,j)表示q轴电流在(i,j)时刻的跟随误差。
[0023]
进一步，所述控制器的公式表示如下：
[0024][0025]
上式中，u(i,j)表示二维控制系统的输出，k表示增益。
[0026]
本发明所采用的第二技术方案是：一种基于二维系统的伺服电机电流控制系统，包括：
[0027]
模型构建模块，用于构建伺服电机的电流环数学模型；
[0028]
扰动引入模块，用于引入电机参数时变和外部负载扰动调整电流环数学模型，得到调整后电流环模型；
[0029]
离散模块，用于对调整后电流环模型进行离散化，得到离散化电流环模型；
[0030]
控制系统描述模块，用于基于电流跟随误差和离散化电流环模型对伺服电机的电流环以二维闭环系统描述，得到二维控制系统；
[0031]
控制器构建模块，用于根据二维控制系统构建控制器；
[0032]
输出计算模块，用于根据控制器的增益计算二维控制系统的输出。
[0033]
本发明方法、系统及装置的有益效果是：本发明沿着q轴方向和d轴方向同时优化，
加快了电流的收敛性能，从而提高控制器性能，另外，电流环控制器设计是基于二维电流状态，不需要对d轴电流和q轴电流进行解耦，控制器设计简单，而且对电机参数变化和电流状态等参数的测量误差具有较好的鲁棒性能。
附图说明
[0034]
图1是本发明一种基于二维系统的伺服电机电流控制方法的步骤流程图；
[0035]
图2是本发明一种基于二维系统的伺服电机电流控制系统的结构框图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0037]
参照图1，本发明提供了一种基于二维系统的伺服电机电流控制方法，该方法包括以下步骤：
[0038]
构建伺服电机的电流环数学模型；
[0039]
引入电机参数时变和外部负载扰动调整电流环数学模型，得到调整后电流环模型；
[0040]
对调整后电流环模型进行离散化，得到离散化电流环模型；
[0041]
基于电流跟随误差和离散化电流环模型对伺服电机的电流环以二维闭环系统描述，得到二维控制系统；
[0042]
根据二维控制系统构建控制器；
[0043]
根据控制器的增益计算二维控制系统的输出，实现对伺服电机的电流控制。
[0044]
进一步作为本方法的优选实施例，所述伺服电机的电流环数学模型的公式表示如下：
[0045][0046]
上式中，i
d
和i
q
分别表示d轴和q轴的等效电流，u
d
和u
q
分别表示d轴和q轴的等效电压，l
d
和l
q
分别表示d轴和q轴的等效电感，r
s
是绕线等效电阻，ω表示角度，表示电机转子磁链，这些都是电机的电气参数，可直接得出。
[0047]
进一步作为本方法的优选实施例，所述调整后电流环模型的公式表示如下：
[0048][0049]
上式中，δ表示电机参数变化量，δd表示电机外部扰动。
[0050]
进一步作为本方法优选实施例，所述离散化电流环模型的公式表示如下：
[0051][0052]
上式中，i
d
(i 1,j)表(i 1,j)时刻d轴的电流值，i
q
(i,j 1)表示(i,j 1)时刻q轴的电流值，u(i,j)表示电机电流环的控制输入，y(i,j)表示电流环系统的输出，y
q
(i,j)表示q轴输出，y
d
(i,j)表示d轴输出，和表示对应的参数矩阵，和分别表示和的变化量，d(i,j)表示(i,j)时刻的干扰。
[0053]
参数矩阵为：
[0054][0055]
参数矩阵为：
[0056][0057]
定义：d轴电流在(i 1,j)时刻的跟随误差e
d
(i 1,j)：
[0058]
e
d
(i 1,j)＝y
d
(i 1,j)
‑
y
rd (4)
[0059]
上式中，y
rd
表示d轴输入。
[0060]
q轴电流跟随误差：
[0061]
e
q
(i 1,j)＝y
q
(i 1,j)
‑
y
rq
ꢀꢀ
(5)
[0062]
上式中，y
rq
表示q轴输入。
[0063]
进一步作为本方法优选实施例，所述二维电流闭环系统的公式表示如下：
[0064][0065]
上式中，e
d
(i 1,j)表示d轴电流在(i 1,j)时刻的跟随误差，e
q
(i,j 1)表示q轴电流在(i 1,j)时刻的跟随误差，e
d
(i,j)表示d轴电流在(i,j)时刻的跟随误差，e
q
(i,j)表示q轴电流在(i,j)时刻的跟随误差。
[0066]
进一步作为本方法优选实施例，所述控制器的公式表示如下：
[0067][0068]
上式中，u(i,j)表示二维控制系统的输出，k＝[k
1 k
2 k
3 k4]为控制器增益，二维控制系统的输出即电机的控制输入，二维电流环系统就是二维控制系统。三者表示同一个概率，只是对象不一样：对控制系统叫输出；对电机叫输入；只有一个控制系统就是电流环控制系统。
[0069]
再根据以下矩阵不等式，可以计算出增益k:
[0070][0071]
其中，q和j是转换矩阵，且q＝q
t
。σ1和σ2性能指标系数，i是单位矩阵，γ是鲁棒性能指标，h1和h2是扰动系数，g1和g2是参数变化量，和θ是收敛系数。
[0072]
接上述不等式(8)得：
[0073]
k＝(k
1 k
2 k
3 k4)＝jq
‑1ꢀꢀ
(9)
[0074]
把上述式(9)代入式(7)，则可以得出二维控制系统输出u(i,j)。
[0075]
如图2所示，一种基于二维系统的伺服电机电流控制系统，包括：
[0076]
模型构建模块，用于构建伺服电机的电流环数学模型；
[0077]
扰动引入模块，用于引入电机参数时变和外部负载扰动调整电流环数学模型，得到调整后电流环模型；
[0078]
离散模块，用于对调整后电流环模型进行离散化，得到离散化电流环模型；
[0079]
控制系统描述模块，用于基于电流跟随误差和离散化电流环模型对伺服电机的电流环以二维闭环系统描述，得到二维控制系统；
[0080]
控制器构建模块，用于根据二维控制系统构建控制器；
[0081]
输出计算模块，用于根据控制器的增益计算二维控制系统的输出。
[0082]
上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0083]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。