永磁同步电机的电流环前馈系统、控制方法和可读介质

技术领域

本发明主要涉及永磁同步电机领域，尤其涉及一种永磁同步电机的电流环前馈系统、控制方法和可读介质。

背景技术

随着现代工业技术的飞速发展，永磁同步电机(PMSM)因具有简单的结构、强大的过载能力、快速的响应速度以及高效率、高可靠性等优点，在伺服领域中已经占有了重要地位。

目前，用于永磁同步电机的控制系统由位置环、速度环、电流环构成。而电流环的控制主要由前馈参数和闭环比例、积分、微分(Proportional Integral Derivative，PID)调节组成，前馈参数的准确性直接影响系统的响应性、稳定性和可靠性。

为提高前馈参数的准确性，CN114598219A提出了一种自适应调节永磁同步电机矢量控制系统前馈参数的方法，该方法针对电流环的电感和电流特性对电流环的参数进行调整。该方法只是针对电流环参数进行辨识，导致前馈参数的准确性不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机的电流环前馈系统、控制方法和可读介质，解决现有的前馈参数的准确性不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁同步电机的电流环前馈系统，包括：电机惯量模型，用于根据给定的轨迹规划速度计算出电流无延迟状态下所需要的驱动电流；电流环逆模型，用于根据所述轨迹规划速度和所述驱动电流计算出相位超前电流；ZV整形器，用于对所述相位超前电流进行整形获得整形后前馈电流。

可选地，所述电机惯量模型为包含二次多项式摩擦力的惯量模型，表示为如下形式：

其中I

可选地，所述电机惯量模型的转动惯量J

可选地，所述电流环逆模型表示为如下形式：

其中，I

可选地，所述电流环逆模型的电流环延迟系数T

可选地，所述ZV整形器表示为如下形式：

其中，F

可选地，所述电流环逆模型还用于：根据所述电流环逆模型、所述电机惯量模型和所述ZV整形器计算出初始前馈电流对应的理论速度；根据所述理论速度和所述轨迹规划速度设计目标函数；对所述目标函数进行非线性优化求解得到所述电流环逆模型的新参数值，根据所述新参数值获得所述整形后前馈电流。

可选地，所述目标函数为如下形式：

minf(T

其中，f(T

为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁同步电机的电流环前馈控制方法，包括：

根据给定的轨迹规划速度计算出电流无延迟状态下所需要的驱动电流；

根据所述轨迹规划速度和所述驱动电流计算出相位超前电流；

对所述相位超前电流进行整形获得整形后前馈电流，将整形后前馈电流叠加到控制电流上作为电流环的电流给定。

可选地，通过如下公式计算所述驱动电流：

其中I

可选地，通过如下公式计算所述相位超前电流：

其中，I

可选地，方法还包括：对所述电流环延迟系数和所述电流环放大系数进行二次辨识，得到第一电流环延迟系数和第一电流环放大系数，根据所述第一电流环延迟系数和第一电流环放大系数得到整形后前馈电流。

可选地，对所述电流环延迟系数和所述电流环放大系数进行二次辨识包括：将电流环延迟系数和电流环放大系数作为参变量，计算出初始前馈电流；计算出所述初始前馈电流对应的理论速度；根据所述理论速度和所述轨迹规划速度设计目标函数；对所述目标函数进行非线性优化求解得到所述第一电流环延迟系数和所述第一电流环放大系数。

可选地，所述目标函数为如下形式：

min f(T

其中，f(T

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的永磁同步电机的电流环前馈系统根据给定的轨迹规划速度计算出一种精准的前馈电流，该前馈电流可以抵消电流环的延迟以及震荡特性，改善速度环和位置环的响应，尤其在高速运转的工况下，可以显著提升响应速度，降低系统对PID控制器性能的依赖。

附图说明

包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1是根据本发明一实施例的永磁同步电机的电流环前馈系统的示意图；

图2是根据本发明一实施例的电流环前馈系统的速度反馈第一效果图；

图3是根据本发明一实施例的电流环前馈系统的速度反馈第二效果图；

图4是根据本发明一实施例的永磁同步电机的电流环前馈控制方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

图1是根据本发明一实施例的永磁同步电机的电流环前馈系统的示意图。如图1所示，永磁同步电机的电流环前馈系统100包括电机惯量模型11、电流环逆模型12和ZV整形器13。其中电机惯量模型11用于根据给定的轨迹规划速度ω计算出电流无延迟状态下所需要的驱动电流I

永磁同步电机的电流环前馈系统100的主要思想为通过辨识电流环的延迟，将前馈电流的相位提前，使得前馈电流可以补偿电流环的延迟特性，同时使用整形器提高电流环的稳定性，降低速度反馈的震荡和超调。以下对永磁同步电机的电流环前馈系统100进行详细说明。

电机惯量模型11为包含二次多项式摩擦力的惯量模型，表示为如下形式：

其中I

其中电机惯量模型11的转动惯量J

将转动惯量J

其中J

可以通过二次非线性优化的方式得到转动惯量J

根据电机惯量模型11，结合已经得到的参数转动惯量J

电流环逆模型12和ZV整形器13可由电流环的模型得到。电流环的模型可以分为一阶模型和二阶模型。一阶模型用于对电流前馈进行延迟补偿，而二阶模型由于能够更加贴近电流环的特性，因此用于后续非线性优化问题中所需要的电流环仿真。一阶模型和二阶模型的参数均通过输入电流给定I

其中，电流环的一阶模型可表示为如下形式：

其中，I

在一阶模型中待优化参数为电流环延迟系数T

其中J

随后根据电流环的一阶模型可以反推得到电流环逆模型12，电流环逆模型12表示为如下形式：

其中，I

电流环的二阶模型可表示为如下形式：

其中，I

根据电流环的二阶模型可以得到ZV整形器13，ZV整形器13表示为如下形式：

其中，F

在一些实施例中，电流环逆模型12还用于对一阶模型参数进行二次辨识，从而得到最终电流环前馈系统100所需要的电流环一阶模型参数。如图1所示，整形后的前馈电流I

minf(T

其中，f(T

使在前馈电流开环控制下的速度响应最贴近轨迹规划速度，将一阶模型中得到的T

综上，电流环前馈系统100的电机惯量模型11的参数(J

图2是根据本发明一实施例的电流环前馈模型的速度反馈第一效果图。坐标系的横坐标是采样点数，采样频率可以为5kHz；坐标系的竖坐标是电机实测的速度按照3000转/分量化后的转速值，本实施例采用24位编码器，因此纵坐标的2

图3是根据本发明一实施例的电流环前馈模型的速度反馈第二效果图。坐标系的横坐标是采样点数，采样频率可以为5kHz；坐标系的竖坐标是模拟仿真的电机速度按照3000转/分量化后的转速值，即1对应3000转/分。。曲线31为轨迹规划速度，曲线32为只叠加了驱动电流对应的速度反馈，曲线33为叠加了整形后前馈电流对应的速度反馈。如图3所示，曲线33比曲线32的速度反馈超调量更小，响应延迟也更小。

本发明的永磁同步电机的电流环前馈系统根据给定的轨迹规划速度计算出一种精准的前馈电流，该前馈电流可以抵消电流环的延迟以及震荡特性，改善速度环和位置环的响应，尤其在高速运转的工况下，可以显著提升响应速度，降低系统对PID控制器性能的依赖。

图4是根据本发明一实施例的永磁同步电机的电流环前馈控制方法的流程图。如图4所示，永磁同步电机的电流环前馈控制方法400包括如下步骤：

步骤S41：根据给定的轨迹规划速度计算出电流无延迟状态下所需要的驱动电流。可以通过如下公式计算驱动电流：

其中I

步骤S42：根据轨迹规划速度和驱动电流计算出相位超前电流。可以通过如下公式计算相位超前电流：

其中，I

步骤S43：对相位超前电流进行整形获得整形后前馈电流。可以通过如下公式计算整形后前馈电流：

其中，F

在一些实施例中，在进入步骤S44之前，方法还包括对电流环延迟系数T

min f(T

其中，f(T

使在前馈电流开环控制下的速度响应最贴近轨迹规划速度，将一阶模型中得到的T

步骤S44：将整形后前馈电流叠加到控制电流上作为电流环的电流给定。

本申请还包括一种存储有计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码在由处理器执行时实现前文所述的电流环前馈控制方法。

电流环前馈控制方法实施为计算机程序时，也可以存储在计算机可读存储介质中作为制品。例如，计算机可读存储介质可以包括但不限于磁存储设备(例如，硬盘、软盘、磁条)、光盘(例如，压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD))、智能卡和闪存设备(例如，电可擦除可编程只读存储器(EPROM)、卡、棒、键驱动)。此外，本文描述的各种存储介质能代表用于存储信息的一个或多个设备和/或其它机器可读介质。术语“机器可读介质”可以包括但不限于能存储、包含和/或承载代码和/或指令和/或数据的无线信道和各种其它介质(和/或存储介质)。

应该理解，上文所描述的实施例仅是示意。本文描述的实施例可在硬件、软件、固件、中间件、微码或者其任意组合中实现。对于硬件实现，处理器可以在一个或者多个特定用途集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器和/或设计为执行本文所述功能的其它电子单元或者其结合内实现。

本申请的一些方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。处理器可以是一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DAPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器或者其组合。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。例如，计算机可读介质可包括，但不限于，磁性存储设备(例如，硬盘、软盘、磁带……)、光盘(例如，压缩盘CD、数字多功能盘DVD……)、智能卡以及闪存设备(例如，卡、棒、键驱动器……)。

计算机可读介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等等、或合适的组合形式。计算机可读介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机可读介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、射频信号、或类似介质、或任何上述介质的组合。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述申请披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。