一种低速直驱式交流伺服系统的控制方法

摘要

本发明公开一种低速直驱式交流伺服系统的控制方法，本低速直驱式交流伺服系统的控制结构包括位置闭环、速度闭环、交轴电流闭环和直轴电流闭环；采用间接观测交流伺服电机转角和转速的方法，提高转角和转速的检测精度；间接观测得到的转角观测值用于旋转变换和位置反馈，速度观测值用于速度反馈；通过对交流伺服电机绕组电流的检测和旋转变换，分别得到交轴电流反馈信号和直轴电流反馈信号。引入转矩抖动信号，使交流伺服电机在低速或静止时处于“微抖动”状态，改善低速死区和滞后特性。根据本发明提供的方法，仅采用普通的交流伺服电机和普通增量式光电脉冲编码器，可以实现高精度的低速直接驱动。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业领域中的交流伺服系统，尤其是一种用于实现高精度位 置控制的低速直驱式交流伺服系统的控制方法。

背景技术

交流伺服系统以稀土永磁同步电动机（PMSM）为驱动对象，交流伺服系统是 制造业实现自动化和信息化的基础构件，多用于涉及轮廓轨迹跟踪控制的技术领 域，其在低速运行状况下的工作性能是最重要的性能之一。常规的交流伺服系统 须通过减速机构与机械负载相连。直接驱动交流伺服系统简称直驱式交流伺服系 统，可以不使用减速机构，与机械负载直接耦合驱动，直接驱动的好处是显而易 见的，由于省去了传动减速机构，可以实现更高的控制精度，更快的响应速度， 更高的效率，更低的工作噪声等。

应用环境对直接驱动式交流伺服系统的性能有很高的要求，主要是低速运行 时的转速和转矩性能，要求速度平稳，输出转矩接近额定值。

提高交流伺服系统的低速运行性能，从而满足直接驱动的要求，可以从两方 面入手，第一是提高低速运行时的测速精度和带宽；第二是克服低速运行时的干 摩擦死区、机械间隙等非线性因素的影响。

在通用的交流伺服系统中，一般采用增量式光电脉冲编码器作为反馈元件。 从增量式光电脉冲编码器的输出信号来获取电动机的速度反馈信息，目前常用的 测速方法有M法、T法和M/T法。

M法测速是在设定的采样周期T内记录反馈脉冲的个数m₁,由此求出电动机 的转速n为

$n=\frac{60m_1}{4\times p_f\times T}=K_{\omega }\times m_1---\left(1\right)$

式中

p_f——光电脉冲编码器的分辨率，数字4表示光电脉冲编码器输出信号经 四倍频处理；

K_ω——与光电脉冲编码器分辨率和采样周期有关的速度反馈系数。

由于反馈脉冲数m₁是与电动机的转速成正比的，当电动机低速运行时，在 采样周期内能记录的反馈脉冲个数m₁较少，此时M法测速精度较差。

T法测速是通过测量光电脉冲编码器输出信号的周期T_f来推算电动机的转 速，只要计取在一个光电脉冲周期T_f内的高频脉冲个数m₂，就可测量出光电脉 冲周期T_f的长度，从而测得电动机转速。电动机转速n为

$n=\frac{60f}{4\times p_f\times m_2}=\frac{K_{\omega }}{m_2}---\left(2\right)$

式中

f——高频脉冲的频率；

p_f——光电脉冲编码器的分辨率,数字4表示光电脉冲编码器输出信号经四 倍频处理；

K_ω——与光电脉冲编码器分辨率和高频脉冲频率有关的速度反馈系数。

由于电动机的转速与测量值m₂成反比，电动机的转速越高，m₂越小，故T 法测速适合测量较低的转速，而测量高转速时精度较差。并且测速周期T_f不是 固定的，低速时T_f会很大，测速带宽很低，不利于提高伺服系统的控制性能。

M/T法的测速时间Td由两段组成，第一段是固定的采样周期T0，第二段是 从T0结束，到出现第一个光电反馈脉冲这段时间。用M/T法测速时，电动机转 速n为

$n=\frac{60f\times m_1}{4\times p_f\times m_2}=K_{\omega }\times \frac{m_1}{m_2}---\left(3\right)$

式中

m₁——测速时间Td内反馈脉冲数；

m₂——测速时间Td内高频脉冲数；

f——高频脉冲频率；

K_ω——与光电脉冲编码器的分辨率和高频脉冲频率有关的速度反馈系数。

采用M/T法虽然兼顾了高速段和低速段的测速精度，但也有缺陷，测速时间 Td不是固定的，当电动机速度很低时，测速时间Td可能仍然较长，测速带宽比 较低。

上面三种方法均直接利用光电脉冲编码器的输出信号检测交流伺服电机速 度，在伺服交流伺服电机低速运行时，由于普通光电脉冲编码器的精度所限，必 然产生较大的量化误差，从而也影响了速度控制精度，表现在低速运行时速度的 平稳性变差，输出力矩明显降低，均不满足直驱式交流伺服系统的要求。

干摩擦死区和机械间隙等是机电系统中普遍存在的非线性因素，在低转速运 行时，这些非线性因素的影响尤其明显，如果不采用合适的控制方法和补偿手段， 这些非线性因素严重影响运行性能，甚至可以造成“爬行”等现象。由于没有减 速机构，直驱型交流伺服系统一般工作于低速状态，必须考虑非线性因素。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种控制精度高的低速直驱式交流伺服系统的控制 方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种低速直驱式交流伺服系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：对交流伺服系统的输出电流i_a、i_b进行检测，并通过旋转变换得到 交轴电流i_q和直轴电流i_d；以交流伺服电机的转角观测值为旋转变换角度，所述 转角观测值的获取包括如下步骤：

（11）在交流伺服电机轴上安装光电脉冲编码器，并采集该光电脉冲编码器 的输出脉冲计数，得到第k个控制周期的实测角度信号θ(k)，k=1,2,3,···，以此 实测角度信号θ(k)作为间接观测的参考信号；

（12）计算第k个控制周期的间接观测偏差其中，表 示第k个控制周期的转角观测值；

（13）将步骤（12）得到的Δθ(k)输入转矩补偿控制器，得到第k个控制周 期的转矩补偿信号ΔM(k)；

（14）计算交流伺服电机在第k个控制周期输出转矩的估算值 其中，为第k个控制周期的交轴电流给定信号， K_T为交流伺服电机的转矩系数；

（15）交流伺服系统的动力学模型的拉氏变换为将交流伺服系统 的动力学模型离散化，得到交流伺服电机的速度观测值和转角观测值 的递推算式：

$\hat{\omega }(k+1)=(1-B·\lambda )\hat{\omega }\left(k\right)+\lambda ·M\left(k\right)$

$\hat{\theta }(k+1)=\hat{\theta }\left(k\right)+\hat{\omega }(k+1)·\Delta$

k=1,2,3,······

其中，s为拉氏算子，J为转动惯量，B为粘性摩擦系数，Δ是采样周期， λ=Δ/J；

步骤二：以转角观测值为位置反馈信号，将转角位置给定信号θ^*和转角观 测值相比较，得到位置跟随偏差，此位置跟随偏差经过位置控制器的调节运算， 得到速度给定信号ω^*；

步骤三：以速度给定信号ω^*和前述速度观测值相比较，得到速度偏差， 此速度偏差经过速度控制器的调节运算得到前述交轴电流给定信号

步骤四：将交轴电流给定信号与前述交轴电流i_q进行比较，得到交轴电流 偏差，此交轴电流偏差经过交轴电流控制器的调节运算，得到交轴电压u_q；

步骤五：设定直轴电流给定信号为0，将该直轴电流给定信号与前述直轴电 流i_d进行比较，得到直轴电流偏差，此直轴电流偏差经过直轴电流控制器的调节 运算，得到直轴电压u_d；

步骤六：以转角观测值为旋转角度，对前述交轴电压u_q和直轴电压u_d进行 逆旋转变换，得到三相交流电压参考信号u_a、u_b、u_c，再对前述三相交流电压 参考信号u_a、u_b、u_c进行空间矢量脉宽调制，得到的脉宽调制信号用于控制逆 变器，驱动交流伺服电机。

进一步的，所述步骤四中，还将转矩抖动信号与交轴电流给定信号相叠 加；所述转矩抖动信号通过如下步骤得到：将前述步骤二中的速度给定信号ω^*经过窗口函数处理，得到抖动幅值控制信号，前述抖动幅值控制信号与给定的振 荡信号相乘，得到转矩抖动信号

根据上述方案，本发明采用转角观测值和速度观测值来检测交流伺服电机的 转角和转速，提高了相应的检测精度，特别是低速时的检测精度。还利用转矩抖 动信号，实现交流伺服电机在零速时的转矩抖动，克服干摩擦力对伺服系统低速 运行性能的影响，控制性能得到提高。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是图1中转角、转速间接测量环节的动态结构图。

图3是图1中零速转矩抖动的原理框图。

图4是本发明控制方法的主流程图。

图5是本发明定时中断流程图。

图6是实现本发明的部分电路结构图。

具体实施方案

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供了一种低速直驱式交流伺服系统的控制方法，控制原理如图1所 示。包括了位置闭环、速度闭环、q轴电流闭环和d轴电流闭环。对低速直驱式 交流伺服系统的输出电流i_a、i_b进行检测，并通过旋转变换得到交轴电流i_q和直 轴电流i_d，分别用于q轴电流闭环反馈和d轴电流闭环反馈。

所述旋转变换角度实为交流伺服电机转子的转角，在本发明中该转角通过间 接观测得到。当采用直轴电流i_d=0的控制策略时，交轴电流i_q与低速直驱式交 流伺服系统的电磁转矩成正比，而低速直驱式交流伺服系统中的交轴电流给定信 号是可以实时地获得的，以此为基础，只要实现对交流伺服电机的动力学模型 和交轴电流控制模型的数学重构就可以间接观测交流伺服电机的速度和转角位 置等，在下文中称采用这一方法观测交流伺服电机转角和转速的环节为“转角、 转速间接测量环节”，这一环节如图2所示。

得到转角观测值和速度观测值的具体步骤如下：

步骤一：在交流伺服电机轴上安装光电脉冲编码器，并采集该光电脉冲编码 器的输出脉冲计数，得到第k个控制周期的实测角度信号θ(k)，k=1,2,3,···，以 此实测角度信号θ(k)作为间接观测的参考信号；

步骤二：计算第k个控制周期的间接观测偏差其中，表 示第k个控制周期的转角观测值；

步骤三：将步骤二得到的Δθ(k)输入转矩补偿控制器，得到第k个控制周期 的转矩补偿信号ΔM(k)；

步骤四：计算交流伺服电机在第k个控制周期输出转矩的估算值 其中，为第k个控制周期的交轴电流给定信号， K_T为交流伺服电机的转矩系数；

步骤五：交流伺服系统的动力学模型的拉氏变换为将交流伺服系 统的动力学模型离散化，得到交流伺服电机的速度观测值和转角观测值 的递推算式：

$\hat{\omega }(k+1)=(1-B·\lambda )\hat{\omega }\left(k\right)+\lambda ·M\left(k\right)$

$\hat{\theta }(k+1)=\hat{\theta }\left(k\right)+\hat{\omega }(k+1)·\Delta$

k=1,2,3,······

其中，s为拉氏算子，J为转动惯量，B为粘性摩擦系数，Δ是采样周期， λ=Δ/J。

一般情况下，交流伺服系统的电流环均具有足够的带宽，因此只有转动惯量 J和粘性摩擦系数B是影响转角、转速间接测量环节的系统参数，在转角、转速 间接测量环节中使用的参数值和实际系统参数之间会存在一定的误差，可能导致 测量值和实际值之间的偏移，须通过转矩补偿控制信号来补偿。通过对光电脉冲 编码器的输出脉冲计数，可以得到交流伺服电机转角的参考信号θ(k)，将转角的 参考信号θ(k)与转角测量值是相比较，可以得到转角观测偏差 观测偏差Δθ(k)经过转矩补偿控制器的计算，可以得到转矩 补偿信号ΔM，转矩补偿控制器采用比例积分算法，补偿控制参数包括比例系数 和积分系数。

间接观测得到的转角观测值可分别用于旋转变换、逆旋转变换和转角位置 反馈，速度观测值可用于速度反馈。

以转角位置给定信号θ^*和转角观测值相比较，得到位置跟随偏差，此位置 跟随偏差经过位置控制器的调节运算，可得到速度给定信号ω^*。

以速度给定信号ω^*和前述速度观测值相比较，可得到速度偏差，此速度 偏差经过速度控制器的调节运算可以得到交轴电流给定信号

以交轴电流给定信号与前述通过检测和变换得到的交轴电流i_q进行比较， 可得到交轴电流偏差，此偏差经过交轴电流控制器的调节运算，可得到交轴电压 u_q。

设定直轴的电流给定信号为0，将该电流给定信号与前述通过检测和变换得 到的直轴电流i_d进行比较，得到直轴电流偏差，此偏差经过直轴电流控制器的调 节运算，得到直轴电压u_d。

根据前述得到的转角观测值对前述交轴电压u_q和直轴电压u_d进行逆旋转 变换，得到三相交流电压参考信号u_a、u_b、u_c，再对前述三相交流电压参考信 号u_a、u_b、u_c进行空间矢量脉宽调制，得到的脉宽调制信号，用于控制逆变器， 驱动交流伺服交流伺服电机。

在低速直驱式交流伺服系统中，不可避免地会存在摩擦阻力。摩擦阻力可分 成粘性摩擦阻力和干摩擦阻力，粘性摩擦阻力和速度成正比，而干摩擦阻力基本 上和速度的大小无关，对低速直驱式交流伺服系统运行影响最大的是干摩擦阻 力，尤其在低速运行时，干摩擦阻力会导致速度死区，有时甚至会引起系统振荡。 在直驱型交流伺服系统中，有必要对干摩擦阻力进行补偿,以满足直驱的要求。 本发明采用的具体办法是加入小振幅的高频转矩抖动信号将其与交轴电流给 定信号相叠加，从而使交流伺服电机在低速或静止时处于“微抖动”状态，以 实现“电气润滑”，这样可以有效地改善低速直驱式交流伺服系统的死区和滞后 特性。“微抖动”的频率应当远离低速直驱式交流伺服系统的固有谐振点，并且 振荡幅度小于传动间隙。在本发明提供的技术方案中，通过“零速转矩抖动环节” 使低速直驱式交流伺服系统在静止和低速状态下发生“微抖动”。

所述转矩抖动信号通过如下步骤得到：如图3所示，将前述速度给定信号 ω^*经过窗口函数处理，得到抖动幅值控制信号，前述抖动幅值控制信号与给定 的振荡信号相乘，得到转矩抖动信号转矩抖动信号的振幅随速度的增加而 减小。

本发明的低速直驱式交流伺服系统采用TMS320F28035为处理器,图1中的 转角、速度间接测量环节、位置控制器PT、速度控制器ST、d轴电流控制器LD、 q轴电流控制器LQ、零速转矩抖动环节、旋转变换、逆旋转变换等模块均由软件 实现，空间矢量脉宽调制（SVPWM）由TMS320F28035内部的硬件实现。如图6所 示，采用两只电流传感器ACS712检测交流伺服电机定子电流i_a、i_b，电流传感 器的信号输入到TMS320F28035的A/D转换接口。主回路为交—直—交结构，其 中的逆变器由智能功率模块IRAMX20UP60A实现。

如图4所示，本发明的低速直驱式交流伺服系统控制方法的主流程如下：1） 初始化系统时钟、中断向量表、IO端口，2）初始化控制参数表，3）初始化A/D 转换电路、SVPWM输出，4）启动控制周期定时器，5）等待控制周期定时器中断、 刷新人机界面，6）根据电流i_a、i_b、i_c的当前值，计算i_q(k)和i_d(k)，7）通过 eQEP接口读取光电编码器反馈信号θ(k)，8）计算间接观测偏差计算间接观测偏 差9）计算负载转矩补偿值；10）计算转角观测值和速度观测值， 11）分别以主循环周期的1倍、2倍、4倍控制周期，完成位置控制器、速度控 制器、电流控制器的刷新运算；12）根据交、直轴电流控制器的输出信号u_q(k)和 u_d(k)，以及转角观测值通过逆旋转变换，计算三相电子电压的参考值， 刷新SVPWM环节。

如图5所示，低速直驱式交流伺服系统控制方法的定时器中断服务流程如 下：1）响应定时中断，2）启动A/D转换器，3）读取A相电流采样值，4）读取 B相电流采样值，5）中断返回。

本发明仅需采用普通的交流伺服电机和常规的增量式光电脉冲编码器，通过 改进，提高了交流伺服系统低速运行性能，满足了直接驱动的要求。

本发明采用转角观测值和速度观测值来检测交流伺服电机的转角和转速，提 高了相应的检测精度，特别是低速时的检测精度。还利用转矩抖动信号，实现交 流伺服电机在零速时的转矩抖动，克服干摩擦力对伺服系统低速运行性能的影 响，控制性能得到提高。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围， 凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本 发明保护范围之内。