阅读说明：本技术 一种基于id=0控制的表贴式永磁同步电主轴矢量控制方法 (Surface-mounted permanent magnet synchronous electric spindle vector control method based on id =0 control ) 是由 单文桃 恽之恒 白郭蒙 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于id=0控制的表贴式永磁同步电主轴矢量控制方法,包括以下步骤：步骤1)将永磁同步电主轴的实际转速与给定转速的差值作为模糊PI调节器的输入,模糊PI调节器对输入的电流进行筛选,计算出电主轴的q轴电流i-(q)；步骤2)将模糊PI控制器输出的q轴电流i-(q)和d轴电流i-(d)=0作为输入,再与闭环电流作差经过线性自抗扰电流控制器,得到直轴定子电压u-(d)和交轴定子电压u-(q)；步骤3)根据电压u-(α)和电压u-(β)经过SVPWM变换,作用在主电路逆变器上的功率开关器件,实现永磁同步电主轴的id=0控制。本发明减少了人为调参的难度,通过智能控制方式结合线性自抗扰控制能够使控制变得更为高效,不仅大大减少超调量且高速运行工况下十分稳定。(The invention discloses a surface-mounted permanent magnet synchronous electric spindle vector control method based on id =0 control, which comprises the following steps: step 1) taking the difference value between the actual rotating speed and the given rotating speed of the permanent magnet synchronous electric spindle as the input of a fuzzy PI regulator, screening the input current by the fuzzy PI regulator, and calculating the electric spindle q Axial current i q (ii) a Step 2) outputting the fuzzy PI controller q Axial current i q And d axial current i d Taking =0 as input, making difference with closed-loop current, and passing through linear active disturbance rejection current controller to obtain direct-axis stator voltage u d And quadrature axis stator voltage u q (ii) a Step 3) according to the voltage u α And voltage u β Through SVPWM conversion, a power switch device acting on a main circuit inverter realizes id =0 control of the permanent magnet synchronous electric spindle. Book (I)The invention reduces the difficulty of artificial parameter adjustment, can make the control more efficient by combining an intelligent control mode with linear active disturbance rejection control, not only greatly reduces the overshoot, but also is very stable under the working condition of high-speed operation.)

一种基于id＝0控制的表贴式永磁同步电主轴矢量控制方法

技术领域

本发明涉及数控加工领域，特别涉及一种基于id＝0控制的表贴式永磁同步电主轴矢量控制方法。

背景技术

高速电主轴的发展极大地推动了世界高速数控加工技术的发展。近年来随着现代控制理论和人工智能的发展，智能控制在电主轴控制技术上也有极大的应用。为了进一步提高永磁同步电主轴在高速运行工况下的加工精度和稳定性，需要对电主轴的驱动技术有更深入的研究。如今矢量控制运用较为广泛，id＝0的控制是矢量控制的一种，其本质是实现d-q轴电流解耦，控制过程相对简单。传统id＝0控制转速环和电流环均是PID控制器，其原理简单，使用方便但控制过程中会出现电流波动大，转矩脉动大，鲁棒性差等问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种基于id＝0控制的表贴式永磁同步电主轴矢量控制方法，引入模糊理论优化速度环PI控制，提出LADRC 代替电流环PI控制，提高了系统的鲁棒性。

本发明的目的是这样实现的：一种基于id＝0控制的表贴式永磁同步电主轴矢量控制方法，包括以下步骤：

步骤1)将永磁同步电主轴的实际转速与给定转速的差值作为模糊PI调节器的输入，模糊PI调节器对输入的电流进行筛选，计算出电主轴的q轴电流i_q；

步骤2)将模糊PI控制器输出的q轴电流i_q和d轴电流i_d＝0作为输入，再与闭环电流作差经过线性自抗扰电流控制器，得到直轴定子电压u_d和交轴定子电压u_q；

步骤3)根据电压u_α和电压u_β经过SVPWM变换，作用在主电路逆变器上的功率开关器件，实现永磁同步电主轴的id＝0控制。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，有益效果为：本发明采用模糊PI-LADRC组合控制方式，该方式通过分析速度环与电流环的特性，分别针对进行设计不同的控制器来达到良好的全局控制效果，首先通过电主轴输出的实际转速与额定转速作差并使其差值作为速度环模糊控制器的输入，模糊控制器对输入的电流起到优化筛选的作用，不需要人为去调节选择，在实际应用中起到很大作用。然后计算出的电流再经过线性自抗扰控制器，线性自抗扰控制器起到对信号进行跟踪和对不确定部分以及外部扰动进行实时估计、补偿，使系统具有极强的鲁棒性和抗干扰性。本发明提出表贴式id＝0 矢量控制策略，使电机控制简单有效；其中速度环采用模糊PI控制，减小了系统在高速阶段的电流波动性；电流环采用一阶线性自抗扰控制策略，提高了系统的抗扰动性能。

进一步的，所述模糊PI控制器位于速度环，所述模糊PI控制器将电主轴反馈回来的转速进行与系统给定值进行实时计算，得到模糊控制器所需的转速误差e与转速误差变化率e_c，模糊PI调节器的Δk_p、Δk_i两个参数作为输出量，利用提出的模糊规则对转速误差e与转速误差变化率e_c进行模糊推理，最后查询模糊矩阵表进行参数调整。速度环采用模糊PI控制，减小了系统在高速阶段的电流波动性，使系统获得较好的稳态精度。

进一步的，所述线性自抗扰电流控制器将电流i_q通过线性扩张观测器后输出z₁、z₂，z₁为输出的电流观测值；z₂输出的扰动观测值；z₂直接输入到线性误差反馈中，将z₁和电机反馈的电流进行作差输入到线性状态误差反馈中，通过线性误差反馈进行实时的补偿，消除扰动；所述线性扰动补偿控律为：K为比例增益。用线性自抗扰控制器代替电流环PI控制器，解决了PI控制器会出现电流波动大，抗干扰能力不足等问题，线性自抗扰控制器起到对信号进行跟踪和对不确定部分以及外部扰动进行实时估计、补偿，使系统具有极强的鲁棒性和抗干扰性。

进一步的，步骤1)中所述的永磁同步电主轴为表贴式永磁同步电主轴，数学建模为：

表贴式永磁同步电主轴在d-q旋转坐标系的电压和磁链方程表示为

电磁转矩和运动方程为

对于表贴式永磁同步电主轴有L_d＝L_q，式(3)简化为

式中：u_q、u_d为定子绕组q-d轴的电压、i_q、i_d为定子绕组q-d轴的电流、Ψ_q、Ψ_d为定子绕组q-d轴的磁链、L_q、L_d为定子绕组q-d轴的电感；Ψ_f为电主轴内部转子永磁体产生的励磁磁场的基波磁链；R_s为定子电阻；T_e为电磁转矩；B为黏性摩擦系数；J为电主轴转子上的转动惯量，包括所施加的负载；ω_m为转子机械角速度；T_L为负载转矩。采用表贴式id＝0矢量控制策略，将d-q 轴电流解耦，实现对转矩电流与励磁电流的独立控制。

附图说明

图1为本发明整体框图。

图2为本发明模糊PI控制器框图。

图3为本发明线性自抗扰控制器框图。

具体实施方式

如图1所示的一种基于id＝0控制的表贴式永磁同步电主轴矢量控制方法，包括以下步骤：

步骤1)将永磁同步电主轴的实际转速与给定转速的差值作为模糊PI调节器的输入，模糊PI调节器对输入的电流进行筛选，计算出电主轴的q轴电流i_q；

步骤2)将模糊PI控制器输出的q轴电流i_q和d轴电流i_d＝0作为输入，再与闭环电流作差经过线性自抗扰电流控制器，得到直轴定子电压u_d和交轴定子电压u_q；

步骤3)根据电压u_α和电压u_β经过SVPWM变换，作用在主电路逆变器上的功率开关器件，实现永磁同步电主轴的id＝0控制。

步骤1)中的永磁同步电主轴为表贴式永磁同步电主轴，数学建模为：表贴式永磁同步电主轴在d-q旋转坐标系的电压和磁链方程表示为

电磁转矩和运动方程为

对于表贴式永磁同步电主轴有L_d＝L_q，式(3)简化为

式中：u_q、u_d为定子绕组q-d轴的电压、i_q、i_d为定子绕组q-d轴的电流、Ψ_q、Ψ_d为定子绕组q-d轴的磁链、L_q、L_d为定子绕组q-d轴的电感；Ψ_f为电主轴内部转子永磁体产生的励磁磁场的基波磁链；R_s为定子电阻；T_e为电磁转矩； B为黏性摩擦系数；J为电主轴转子上的转动惯量，包括所施加的负载；ω_m为转子机械角速度；T_L为负载转矩。采用表贴式id＝0矢量控制策略，将d-q 轴电流解耦，实现对转矩电流与励磁电流的独立控制。

一种基于id＝0控制的表贴式永磁同步电主轴矢量控制系统，包括主电路、控制电路和信号检测电路；其中主电路包括逆变器和永磁同步电主轴；控制电路包括模糊控制器模块、线性自抗扰控制器模块、SVPWM、坐标变换模块、转子位置，速度估计模块。

如图2所示，在模糊控制器的设计过程中，对输入量进行模糊化，可以得到一组模糊结构，并在解模糊后自动实现PI参数的最优调整。模糊逻辑决策采用Mamdani算法的Max-Min进行合成，采用的映射方法为重心法；

模糊PI控制器位于速度环，模糊PI控制器将电主轴反馈回来的转速进行与系统给定值进行实时计算，得到模糊控制器所需的转速误差e与转速误差变化率e_c，令其量化等级为7级，即{-3，-2，-1,0,1,2,3}，实时误差e以及误差变化e_c的论域均为[-10000,10000]。调节器的Δk_p、Δk_i两个参数作为输出量，使其同样量化为上述七个等级，Δk_p、Δk_i输出的论域分别为[-2,2]、 [-1,1]，均服从三角形隶属度分布曲线，如表1所示；再利用提出的模糊规则对转速误差e与转速误差变化率e_c进行模糊推理，最后查询模糊矩阵表进行参数调整。速度环采用模糊PI控制，减小了系统在高速阶段的电流波动性，使系统获得较好的稳态精度。

表1模糊集的隶属度函数

输出量Δk_p通过表2所示的模糊规则表进行整定，输出量Δk_i通过表3所示的模糊规则表进行整定。

表2△k_p的模糊规则表

表3△k_i的模糊规则表

为进一步优化本发明，考虑到永磁同步电主轴模型的复杂性，所以选择不需要依赖精确数学模型的线性自抗扰控制器。线性自抗扰控制器主要一般是由跟踪微分扩张器、线性扩张观测器和线性状态误差反馈3个部分组成。但是考虑到电流是连续变化的，为了不引起相位滞后，电流环线性自抗扰控制不需要跟踪微分扩张器。如图3所示，线性自抗扰电流控制器将电流i_q通过线性扩张观测器后输出z₁、z₂，z₁为输出的电流观测值；z₂输出的扰动观测值；z₂直接输入到线性误差反馈中，将z₁和电机反馈的电流进行作差输入到线性状态误差反馈中，通过线性误差反馈进行实时的补偿，从而消除扰动。要抵消电流环扰动量的影响应选取b_xyi_q＝u-z₂，则经过扰动补偿后，电流环等效成一个积分环节。设计线性扰动补偿控律为：K为比例增益。线性自抗扰控制器的设计大大增强了系统的抗干扰性，使得系统在外部干扰下也能稳定运行，从而提高机床的切削性能。

本发明一种基于id＝0控制的表贴式永磁同步电主轴矢量控制方法，提出表贴式id＝0矢量控制策略，使电机控制简单有效。其中速度环采用模糊PI 控制，减小了系统在高速阶段的电流波动性。电流环采用一阶线性自抗扰控制策略，提高了系统的抗扰动性能。模糊PI-LADRC联合控制策略大大提高了系统的鲁棒性。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。