[发明专利]永磁同步电机位置伺服系统的控制方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及交流变频和伺服系统领域的控制方法

二、背景技术

现代伺服驱动系统一般都需要在稳定工作条件下，具有规定的转矩、速度或位置精度，并满足系统动态性能的要求，因此采取合理的控制策略至关重要。目前在工业过程控制中采用最多的依然是PID控制，其比例超过95％。PID控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高且易于实现。以永磁同步电机交流伺服系统为例，一般采用位置、速度和电流三闭环串联PID控制模式。该控制模式中，当伺服电机逐渐趋近定位位置时，其趋近速度亦同步减小；当电机到达给定位置时，速度减小到零。

已有的文献多立足于该控制模式下PID控制参数的设计和改善，也提出了很多十分有益的方案，但仍局限于先位置环后速度环的控制模式，同时其动、静态性能的提高也仅能依靠控制器参数的优化配置及相关补偿技术的合理运用。如何在保留PID控制稳态特性优良的同时，切实提高交流伺服系统的动态性能，是目前研究的一个热点，已有的解决方案均局限于先位置环后速度环这种控制模式且通用性不强。

三、发明内容

本发明的目的旨在提出了一种电机转子的转角位置、电机转子的转速两段式控制方法，以提高位置伺服系统的动态性能。该实现方案的特征在于将电机转子的转角位置定位误差绝对值|Δθ|视为电机转子的转角位置控制模式和电机转子的转速控制模式的切换阀值，并有：

①当电机转子的转角位置定位误差绝对值|Δθ|＞ξ(ξ为常数)时，系统进入电机转子的转速控制模式，保证伺服电机可靠起动，并以电机转子的最大转速(额定转速ω_n)趋近给定电机转子的转角位置；

②当电机转子的转角位置定位误差绝对值|Δθ|≤ξ时，系统进入电机转子的转角位置控制模式，并最终实现伺服电机的精确定位。

四、附图说明

图1传统PID控制下永磁同步电机伺服系统的定位曲线。

图2电机转子的转速控制模式(|Δθ|＞ξ)。

图3电机转子的转角位置控制模式(|Δθ|≤ξ)。

图4实验结构框图。

图5传统PID控制下系统的定位波形。

图6新型控制策略下系统的定位波形。

五、具体实施方式

5.1新型交流位置伺服系统的控制方法

传统PID控制策略下的交流伺服系统(以永磁同步电机位置伺服系统为例)采用位置、速度和电流三闭环串联控制模式。同时在交流位置伺服系统中，位置控制常采用P调节器或带前馈环节的PD调节器；速度控制和电流控制则采用PI调节器或PID调节器。从已有的文献来看，各种交流伺服系统控制器的设计目标都可归纳为：在系统稳定的条件下，扩展定位或调速范围，加快动态响应，消除稳态误差，并保证控制的快速准确。以位置环采用P调节器，速度环采用PI调节器，电流环采用PI调节器控制的传统永磁同步电机位置伺服系统为例，当伺服电机逐渐趋近定位位置时，其趋近速度亦同步减小；当电机到达给定位置时，速度减小到零，其定位过程如图1所示。

本发明在传统PID位置伺服系统控制思路的基础上，通过对电机转子的转角位置伺服系统运行特性进行研究，提出了一种电机转子的转角位置、电机转子的转速两段式控制方法。它将电机转子的转角位置定位误差的绝对值|Δθ|视为电机转子的转角位置、电机转子的转速两种控制模式的切换阀值，当|Δθ|＞ξ(常数)时，运用电机转子的转速控制模式实现电机的可靠起动与定位趋近；当|Δθ|≤ξ时，系统切换到电机转子的转角位置控制模式并最终实现伺服电机的精确定位，其实现思想如图2~3所示。

该伺服控制方案设计的关键在于两种控制模式的协调工作及其切换阀值的选取。切换阀值|Δθ|取值越小，则伺服系统达到稳态的时间越短，但极易引起超调；切换阀值|Δθ|取值越大，则伺服系统达到稳态的时间越长，影响了伺服系统定位的快速性，故需综合考虑|Δθ|的取值。

5.2实验验证

为进一步验证控制策略的有效性，构建了以TMS320LF2407A为核心的永磁同步电机伺服系统实验平台，其组成部分有：PC+DSP主控运算制单元、智能功率模块IPM(PS21865)、电流及电压传感器单元和2500线的光栅式位置检测单元等，其实验结构框图如图4所示。其中作为被控对象的永磁同步电机参数为：额定功率800W，额定转速3000r/min，每相电枢绕组电阻1.30Ω，直轴电感1.48mH，交轴电感1.47mH，转动惯量1.03kg·cm²。

本发明的算法与传统算法相比并未增加软件实现的复杂性，却显著地提高了伺服系统的动态性能，同时又完全保留了PID控制技术的相关优点。两种算法的实验波形如图5~6所示，两者比较，本发明的算法控制下系统定位时间减少了约80％。