一种永磁同步电机的高精度电流补偿系统及补偿方法与流程

1.本发明涉及永磁同步电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机的高精度电流补偿系统及补偿方法。


背景技术：

2.永磁同步电动机主要是由转子、端盖及定子等各部件组成。永磁同步电动机的定子结构与普通的感应电动机的结构非常相似，转子结构与异步电动机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极，根据在转子上安放永磁体的位置的不同，永磁同步电动机通常被分为表面式转子结构和内置式转子结构。
3.永磁同步电机在应用于数控机床和工业机器人的时候，对于运动控制的精度和速度需要有着十分精准的控制，最广泛的应用为位置控制。
4.现有技术中，专利公告号为cn102075127b的发明专利中公开了一种永磁同步电机伺服驱动装置及其位置控制方法，提出了除采用通用的控制器结构外，还利用速度反馈的校正信息，有效减小位置跟随偏差；本发明提出的永磁同步电机伺服驱动装置的位置控制方法通过设计利用速度模型偏差的转矩观测器来补偿扰动。
5.永磁同步电机的控制算法有很多种，其中比较成熟的是比例积分控制(pi)和直接转矩控制，。pi控制具有良好的稳态控制性能，但动态性能较差，如果反应快，就要牺牲响应速度，直接转矩控制有很快的响应速度和很好的抗参数能力，但本质上是滞后控制，即使在静止状态下，电流也会不断波动，随着新型电磁材料的使用和功率器件的现代化，有可能在一个电流周期内完成更复杂的算法，其中采用了新的高精度永磁同步发动机控制算法。综上即传统控制中电流没有补偿，速度的动态性能收到影响，同时现有的补偿方法，不能综合速度对于电流性能的影响和需要。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术的缺点，而提出了一种永磁同步电机的高精度电流补偿系统及补偿方法。
7.本发明提供了如下的技术方案：
8.一种永磁同步电机的高精度电流补偿系统，包括速度控制器、电流控制器、svpwm矢量调制模块、逆变器、电机、电流传感器、位置传感器；
9.所述速度控制器，用于速度给点和速度反馈比较，得到电流的给定值；
10.所述电流控制器，包括电流环结构，用于接收电流的给定和电流的反馈，产生输出电压，所述电流的给定设有对电流给定信号的精确补偿，进而提高了电流给定信号的控制性能；
11.所述svpwm调制模块，用于空间矢量脉宽调制，根据输入的αβ轴下的电压指计算得到pwm脉冲信号；
12.所述逆变器，用于根据pwm脉冲信号控制开关，生成控制电机的电压；
13.所述电流传感器，用于经svpwm调制模块输出的ia和ib坐标变换计算并反馈给电流控制器的电流环；
14.所述位置传感器，用于采集电机的电角度。
15.优选的，所述补偿包括对速度环的控制器输出、反馈电流的补偿电流输出和负载转矩的补偿电路输出，电流给定信号表达式为：
16.i
q*
＝i
q1*
i
q2*
i
q3*
ꢀꢀꢀ
(1)
17.公式1中，i
q*
为电流给定信号，i
q1*
为速度控制器向电流环输出的给定电流，i
q2*
为反馈补偿电流，i
q3*
为负载转矩的补偿电流。
18.优选的，所述反馈电流的补偿电流输出根据速度给定值变化趋势进行设定，当速度给定值处于上升趋势且上升趋势为大范围，补偿为正的较大值；当速度给定值处于下降趋势且下降趋势为大范围，补偿为负的较大值；当速度给定值接近极值，补偿值减小；反馈电流补偿信号表达式为：
[0019][0020]
其中是给定速度，是当前变化趋势的极大值，k1取值范围为0.01-0.1，δt为变化的时间间隔。
[0021]
优选的，所述负载转矩的补偿根据电机的输出转矩和转矩观测的输出转矩，再通过计算推算出电机的负载转矩并对其进行补偿计算，表达式为：
[0022][0023]
其中是电机实际运行的额定转速，ω
γ
是实际反馈的转速，是观测的转矩值，是转矩电流系数，k2取值范围为0.1-0.6。
[0024]
优选的，所述电机实际运行的额定转速和实际反馈的转速形成速度相对的比例，形成转矩补偿的调节系数，增加转矩补偿的速度相关性。
[0025]
优选的，所述转矩的观测值通过是根据式4参考模型和式5可调节模型设计转矩观测器进行计算，具体公式如下：
[0026]
jω
γ
s＝t
e-t
l-bω
γ
ꢀꢀꢀ
(4)
[0027][0028]
其中j表示转动惯量，ω
γ
是实际反馈的转速，s表示微分算子，te表示电磁转矩，t
l
为负载转矩，b为滑动摩擦系数，e为速度模型的偏差，为可调节模型的观测速度，为负载转矩的观测值；
[0029]
其中速度模型的偏差为：
[0030][0031]
将式4和式5相减得到状态误差：
[0032]
[0033]
优选的，为正实的传递函数，因此得到负载转矩的观测规律，其表达式为：
[0034][0035]
其中k
l1
为转矩观测的积分系数，k
lp
为转矩观测的比例系数。
[0036]
一种优选的永磁同步电机的高精度电流补偿方法，其特征在于，具体步骤如下：
[0037]
s1、对电机的转子位置θ进行检测，以及电流控制器产生的输出电压经svpwm算法，在一个周期内对多次施加非零矢量和零矢量，使得电压空间矢量接近圆轨迹旋转，并输出的三相电流中的ia和ib；
[0038]
s2、电流传感器通过反馈电流给到的ia和ib的坐标变换计算得到反馈电流的id和iq；
[0039]
s3、通过位置传感器根据电机角速度和电流进行负载转矩观测，得到负载转矩观测值
[0040]
s4、位置传感器采集电机的实际运转角速度，同时接收反馈的转速，两者通过微分运算，作为负载转矩的补偿电流并给到电流控制器；
[0041]
s5、根据电机运转角速度的速度给定值变化趋势，对iq进行补偿设定计算，得到反馈补偿电流i
q2*
；
[0042]
s6、速度控制器的速度环输出电流i
q1*
，在配合反馈补偿电流i
q2*
和负载转矩的补偿电流计算得出电流给定信号i
q*
，并将电流给定信号i
q*
给到电流控制器，同时d轴转矩电流给定值i
d*
给到电流控制器，但对于d轴电流的设定为i
d*
＝0；
[0043]
s7、电流控制器根据接收电流的给定和电流的反馈产生输出的电压和并将电压和作为svpwm调制模块的输入。
[0044]
本发明的有益效果是：
[0045]
通过对电流给定信号做出补偿算法，其中一部分对于速度给定值的变化趋势设定对电流给定值的补偿，即通过速度极值与不同时刻的速度给定值之差变化趋势，通过计算得到电流补偿量；另一部分对于实际运行的转速与接收反馈的转速之间的相对比例，结合观测转矩值和转矩电流系数计算，得到得到转矩向电流量纲的转化，给到负载转矩的补偿，进而得到比较好的补偿效果。
附图说明
[0046]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0047]
图1是本发明电流补偿系统结构示意图；
[0048]
图2是本发明速度给定值变化趋势图。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0050]
如图1所示，一种永磁同步电机的高精度电流补偿系统包括速度控制器、电流控制器、svpwm矢量调制模块、逆变器、电机、电流传感器、位置传感器。
[0051]
所述速度控制器，用于速度给点和速度反馈比较，得到电流的给定值。
[0052]
所述电流控制器，包括电流环结构，用于接收电流的给定和电流的反馈，产生输出电压，所述电流的给定设有对电流给定信号的精确补偿，进而提高了电流给定信号的控制性能。所述补偿包括对速度环的控制器输出、反馈电流的补偿电流输出和负载转矩的补偿电路输出，电流给定信号表达式为：
[0053]iq*
＝i
q1*
i
q2*
i
q3*
ꢀꢀꢀ
(1)
[0054]
公式1中，i
q*
为电流给定信号，i
q1*
为速度控制器向电流环输出的给定电流，i
q2*
为反馈补偿电流，i
q3*
为负载转矩的补偿电流。
[0055]
所述svpwm调制模块，用于空间矢量脉宽调制，根据输入的αβ轴下的电压指计算得到pwm脉冲信号；
[0056]
所述逆变器，用于根据pwm脉冲信号控制开关，生成控制电机的电压；
[0057]
所述电流传感器，用于经svpwm调制模块输出的ia和ib坐标变换计算并反馈给电流控制器的电流环。
[0058]
所述位置传感器，用于采集电机的电角度。
[0059]
速度控制器连接电流控制器，电流控制器连接svpwm调制模块，svpwm调制模块连接逆变器，逆变器连接电机，电机连接位置传感器，位置传感器连接速度控制器，其中逆变器和位置传感器还分别与电流控制器连接。
[0060]
如图2所示，图中a点处于上升坡度较大的范围内，一定时间δt两端时刻的速度值之差较大，因此反馈补偿为正补偿且电流i
q2*
数值较大；反之同理，处于下降坡度较大的范围内，反馈补偿为负补偿且电流i
q2*
数值较大。
[0061]
从图中可以看出当上升或下降接近极值时，补偿值减小。而对于c和d来说，c和d的值小于a且大于b。由于是速度值为给定值，因此速度给定值的变化趋势十分清楚。变化趋势明显，则根据速度给定值设定的补偿表达式为：
[0062][0063]
其中是给定速度，是当前变化趋势的极大值，k1取值范围为0.01-0.1，δt为变化的时间间隔。
[0064]
负载转矩的补偿根据电机的输出转矩和转矩观测的输出转矩，再通过计算推算出电机的负载转矩并对其进行补偿计算，表达式为：
[0065][0066]
其中是电机实际运行的额定转速，ω
γ
是实际反馈的转速，是观测的转矩值，是转矩电流系数，k2取值范围为0.1-0.6。
[0067]
所述转矩的观测值通过是根据式4参考模型和式5可调节模型设计转矩观测器进
行计算，具体公式如下：
[0068]
jω
γ
s＝t
e-t
l-bω
γ
ꢀꢀꢀ
(4)
[0069][0070]
其中j表示转动惯量，ω
γ
是实际反馈的转速，s表示微分算子，te表示电磁转矩，t
l
为负载转矩，b为滑动摩擦系数，e为速度模型的偏差，为可调节模型的观测速度，为负载转矩的观测值。
[0071]
其中速度模型的偏差为：
[0072][0073]
将式4和式5相减得到状态误差：
[0074][0075]
为正实的传递函数，因此得到负载转矩的观测规律，其表达式为：
[0076][0077]
其中k
l1
为转矩观测的积分系数，k
lp
为转矩观测的比例系数。
[0078]
电流补偿方法具体步骤如下：
[0079]
s1、对电机的转子位置θ进行检测，以及电流控制器产生的输出电压经svpwm算法，在一个周期内对多次施加非零矢量和零矢量，使得电压空间矢量接近圆轨迹旋转，并输出的三相电流中的ia和ib；
[0080]
s2、电流传感器通过反馈电流给到的ia和ib的坐标变换计算得到反馈电流的id和iq；
[0081]
s3、通过位置传感器根据电机角速度和电流进行负载转矩观测，得到负载转矩观测值
[0082]
s4、位置传感器采集电机的实际运转角速度，同时接收反馈的转速，两者通过微分运算，作为负载转矩的补偿电流并给到电流控制器；
[0083]
s5、根据电机运转角速度的速度给定值变化趋势，对iq进行补偿设定计算，得到反馈补偿电流i
q2*
；
[0084]
s6、速度控制器的速度环输出电流i
q1*
，在配合反馈补偿电流i
q2*
和负载转矩的补偿电流计算得出电流给定信号i
q*
，并将电流给定信号i
q*
给到电流控制器，同时d轴转矩电流给定值i
d*
给到电流控制器，但对于d轴电流的设定为i
d*
＝0；
[0085]
s7、电流控制器根据接收电流的给定和电流的反馈产生输出的电压和并将电压和作为svpwm调制模块的输入。
[0086]
与现有技术即专利公告号为cn102075127b的一种永磁同步电机伺服驱动装置及其位置控制方法，其采用pi控制作为补偿方式，主要从转矩观测补偿电流输出方面补偿。该现有技术通过电机的实际速度占给定速度的比值作为转矩补偿的系数，即不考虑电机在实
际运转时外界各因素对电机转动产生的阻力等情况。
[0087]
但本发明中通过采用电机实时反馈转速和电机实际运行的额定速度之比作为转矩补偿调节系数，更加贴近实际运转的情况，并在执行补偿算法时有效将外界对电机的影响考虑的同时对其进行补偿，使得补偿更加精确。
[0088]
在此基础上的同时，对于速度给定的电流补偿也随着不断变化的速度做出实时补偿。因此综合上述两点，使得对于电流给定信号的补偿相对于现有技术更加精确。
[0089]
在具体实时操作操作过程中，当设定电机运转100ms使得运转速度到达2500r/min，电流分别采用pi控制和本发明采用的补偿算法，并将结果进行比较，相比较pi控制而言，本发明采用的上述补偿算法时间上提前10ms左右，而d轴和q轴上电流的带宽提高15％。
[0090]
此外，当电机转速稳定在1500r/min时，额外在系统中通过粉末制动器增加6nm的负载转矩，pi控制在此条件下经过155ms将转动恢复至稳定状态，而本发明提及的补偿算法耗时113ms即可恢复稳态，相比而言，本发明提及的补偿算法抗扰性提高了25％左右。
[0091]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。