阅读说明：本技术 一种适用于pmsm伺服系统的快速响应高精度位置控制方法 (A kind of quick response high precision position control method suitable for PMSM servo-system ) 是由 徐永向 高京哲 李绍斌 邹继斌 肖利军 邹继明 禹国栋 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种适用于PMSM伺服系统的快速响应高精度位置控制方法,所述方法包括计算电机的最大加速度,向伺服系统的速度调节器输入斜率大小为a<Sub>max</Sub>的速度指令曲线,令电机以最大加速度进行加速,此阶段为快速响应阶段,以提高位置的响应速度为主要的优化目标；判断当前转速ω与最大转速ω<Sub>max</Sub>之间的关系,决定当前状态；检测当前时刻的位置误差与α之间的关系,从而确定当前所处阶段,实现高精度位置控制。本发明能够有效地提高伺服系统位置控制的响应速度和稳态精度,相对于传统的PI控制方法,当位置误差非常小时,该方法显著的减小了消除位置误差的时间,同时不依赖于参数,在不同的PMSM伺服系统中均具有很强的适应性。(The present invention proposes a kind of quick response high precision position control method suitable for PMSM servo-system, is a to the speed regulator of servo-system input slope size the method includes calculating the peak acceleration of motor max Speed command curve, enable motor be accelerated with peak acceleration, this stage be the quick response stage, with improve position response speed be main optimization aim；Judge current rotating speed ω and maximum (top) speed ω max Between relationship, determine current state；The relationship between the location error and α at current time is detected, so that it is determined that being presently in the stage, realizes high precision position control.The present invention can effectively improve the response speed and stable state accuracy of servo-system position control, relative to traditional PI control method, when location error is very small, this method significantly reduces the time for eliminating location error, simultaneously independent of parameter, very strong adaptability is all had in different PMSM servo-systems.)

一种适用于PMSM伺服系统的快速响应高精度位置控制方法

技术领域

本发明属于高性能伺服系统技术领域，特别是涉及一种适用于PMSM伺服系统的快速响应高精度位置控制方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)伺服系统性能通常以位置的响应速度和控制精度为主要衡量指标，通常来说，高性能的伺服控制可以使电机的实际位置快速、准确地跟随指令位置。虽然在传统的PID控制、前馈控制、神经网络控制等控制方法下，位置的响应速度或稳态控制精度都有了显著的提升，但是这些控制方法一般无法兼顾位置控制的响应速度和控制精度。

对于伺服系统的位置控制而言，当指令位置被给定之后，在电磁转矩的作用下，电机转速开始逐渐升高，实际位置也将加速靠近指令位置。然而，考虑到电流限幅所造成的转矩限制问题，转速越高，电机减速过程所耗费的时间也越长，因此在到达指定位置之前，电机不能一直保持加速状态或者高速运行状态，而需要在特定时刻提前减速，以保证转子在到达指定位置之后，电机转速可以随之降为零。该时刻的选取十分重要，过早减速会显著增加位置响应时间，而过晚减速则很有会造成较大的位置超调，两种情况均会影响伺服系统的位置控制性能。以上分析揭示了伺服系统快速响应和高精度控制之间的矛盾。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种适用于PMSM伺服系统的快速响应高精度位置控制方法。所述方法采用了分段优化控制的思想，以解决快速响应与高精度控制的矛盾性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种适用于PMSM伺服系统的快速响应高精度位置控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：根据PMSM的极对数p、永磁体磁链ψ_f、所能够承受的最大电流I_max和电机的转动惯量J，计算电机的最大加速度a_max：

向伺服系统的速度调节器输入斜率大小为a_max的速度指令曲线，令电机以最大加速度进行加速，此阶段为快速响应阶段，以提高位置的响应速度为主要的优化目标；

步骤二：伺服系统指令位置的大小为θ_s，所允许的电机最大转速大小为ω_max，利用位置传感器实时地获取电机转子的当前位置θ和当前转速ω，则当前时刻的位置误差为Δθ：

Δθ＝θ_s-θ

然后判断当前转速ω与最大转速ω_max之间的关系，如果ω≥ω_max，则设置指令速度曲线，令电机以最大转速ω_max运行，检测当前位置误差Δθ是否小于等于ω_max ²/2a_max，如果满足要求，则设置指令速度曲线令电机以a_max减速，否则继续以最大转速ω_max运行，并对Δθ进行持续检测；

如果ω＜ω_max，检测当前位置误差Δθ是否小于等于ω²/2a_max，如果满足要求，则设置指令速度曲线令电机以a_max减速，否则继续加速运行，并对Δθ进行持续检测；

步骤三：检测当前时刻的位置误差Δθ是否小于等于α，其中，α表示角度，具体数值根据伺服系统的控制需求进行设定，如果满足要求，则切换位置控制策略，进入稳态趋近阶段，从而实现位置控制，该稳态趋近阶段以提高位置的稳态精度为主要的优化目标，如果不满足要求，则持续检测当前时刻的位置误差情况。

进一步地，在所述稳态趋近阶段，采用PI控制策略以消除位置误差，获得更高的控制精度，而PI参数则需在实验中进行整定。

进一步地，所述位置传感器为光电编码器、旋转变压器或霍尔位置传感器。

本发明有益效果：

本发明能够有效地提高伺服系统位置控制的响应速度和稳态精度，相对于传统的PI控制方法，当位置误差非常小时，该方法显著的减小了消除位置误差的时间，同时不依赖于参数，在不同的PMSM伺服系统中均具有很强的适应性。此外，相对于新型的最优化控制方法，该方法计算量小，易于实现，十分适用于以DSP作为控制核心的PMSM伺服系统，具有较强的适应性。

附图说明

图1是本发明方法涉及PMSM伺服系统的整体结构示意图；

图2是本发明所述方法流程图；

图3是伺服系统运行阶段的划分示意图；

图4是伺服系统在PI控制下的实验曲线示意图；

图5是通过直接给定转速方法对伺服系统进行控制的实验曲线示意图；

图6是采用本发明方法对伺服系统进行控制的实验曲线示意图；

图7是采用PI控制、直接给定转速控制方法、本发明控制方法对伺服系统进行控制的位置响应对比示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，U_dc代表直流母线电压、θ^*与θ分别代表参考位置信号和预计测量转子实际位置、ω^*与ω分别表示参考转速和实际转速、I^* _d与I_d分别表示d轴参考和测量电流、I^* _q与I_q分别表示q轴参考和测量电流、i_α与i_β分别表示两相静止坐标系αβ下的电流分量、i_a与i_b分别为电机ab两相的相电流瞬时值、u_d与u_q分别表示电流调节器的输出电压、u_dcom与u_qcom为死区补偿电压、u_α与u_β分别表示dq轴电压在两相静止坐标系αβ下的分量、PMSM代表永磁同步电机、SVPWM表示空间矢量脉宽调制技术。

参照图2，a_max代表电机所能达到的最大角加速度、ω_max代表电机所能达到的最大转速、Δθ为当前时刻的位置误差、α表示根据伺服系统的控制需求进行设定的切换角度，当位置偏差小于等于α时进行控制律的切换、ω为电机实际转速。

参照图3，图中β表示位置控制策略的切换点。

结合图1-图3，本发明提出一种适用于PMSM伺服系统的快速响应高精度位置控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：根据PMSM的极对数p、永磁体磁链ψ_f、所能够承受的最大电流I_max和电机的转动惯量J，计算电机的最大加速度a_max：

向伺服系统的速度调节器输入斜率大小为a_max的速度指令曲线，令电机以最大加速度进行加速，此阶段为快速响应阶段，以提高位置的响应速度为主要的优化目标；

步骤二：伺服系统指令位置的大小为θ_s，所允许的电机最大转速大小为ω_max，利用位置传感器(所述位置传感器为光电编码器、旋转变压器或霍尔位置传感器等)实时地获取电机转子的当前位置θ和当前转速ω，则当前时刻的位置误差为Δθ：

Δθ＝θ_s-θ

然后判断当前转速ω与最大转速ω_max之间的关系，如果ω≥ω_max，则设置指令速度曲线，令电机以最大转速ω_max运行，检测当前位置误差Δθ是否小于等于ω_max ²/2a_max，如果满足要求，则设置指令速度曲线令电机以a_max减速，否则继续以最大转速ω_max运行，并对Δθ进行持续检测；

如果ω＜ω_max，检测当前位置误差Δθ是否小于等于ω²/2a_max，如果满足要求，则设置指令速度曲线令电机以a_max减速，否则继续加速运行，并对Δθ进行持续检测；

步骤三：检测当前时刻的位置误差Δθ是否小于等于α，其中，α表示一个很小的角度，具体数值根据伺服系统的控制需求进行设定，如果满足要求，则切换位置控制策略，进入稳态趋近阶段，从而实现位置控制，该稳态趋近阶段以提高位置的稳态精度为主要的优化目标，如果不满足要求，则持续检测当前时刻的位置误差情况。

在所述稳态趋近阶段，采用PI控制策略以消除位置误差，获得更高的控制精度，而PI参数则需在实验中进行整定。

图4是伺服系统在PI控制下的实验曲线示意图，可以看出，当电机实际位置与指令位置偏差较小时，由于PI调节器输出的速度指令减小的斜率变缓，导致系统在趋近稳态的过程中速度变慢，从而增加了响应时间；图5是通过直接给定转速方法对伺服系统进行控制的实验曲线示意图，本方法通过预期的位置信号，计算出相应的转速给定，使得理论上转速给定与坐标轴所围成的面积为电机的预期位置。然而，由于转速环跟踪给定转速存在误差，电机的实际所能达到的位置与理想值会存在偏差，导致如图所示位置响应存在误差；图6是采用本发明方法对伺服系统进行控制的实验曲线示意图，图中可以看到，竖线位置为控制率切换点，切换后位置响应时间小于4ms，且能有效减小电机转子的振荡，有效提高位置环性能。相比于图4b)在低速区响应速度变慢，电机在减速阶段依旧能保持最大制动减速度，保证了在低速区向位置指令趋近的响应速度，而相比于图5a)的位置环开环控制导致跟随误差，在低速区速度的反馈控制能够保证位置环追踪给定信号的精度；图7为采用各种控制策略的位置响应波形图，从图7可以看出，由于传统PI控制策略的调节是线性的，这导致在实际位置即将到达指令位置时，响应速度变慢，显著增加了位置响应时间，如图中的红线所示。虽然采用转速给定控制可以解决这个问题，但是会导致位置的静差，降低了控制的精度，如图中的蓝线所示。而采用本发明所述分段优化控制方法可以综合上述两种方法的优点，既提高了响应的速度，又保证了控制的精度，如图中的绿线所示。

以上对本发明所提出的一种适用于PMSM伺服系统的快速响应高精度位置控制方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。