[发明专利]高精度跟踪系统中引入力矩修正的多闭环方法

说明书

技术领域

本发明属于跟踪控制领域，涉及高精度跟踪系统中永磁同步电机的控制方法。

背景技术

目前，光电跟踪系统多采用直流力矩电机作为驱动机构，但直流力矩电机因为有机械电刷和换向器，存在换向火花、电磁干扰大、换向摩擦大和容易磨损的缺点。而永磁同步电机采用电子换向，成功避免了上述问题。同时由于永磁同步电机的励磁磁场为正弦波，比励磁磁场为方波型的无刷直流电机具有更小的力矩波动，所以被广泛应用于机器人、数控机床和航空航天中。但是由于磁场谐波和齿槽力矩的存在，永磁同步电机在低速时仍然有一定的力矩波动。尤其随着跟踪精度的要求越来越高，磁场谐波造成的力矩波动成为影响速度平稳性的重要因素。

光电跟踪系统一般采用位置、速度和电流闭环的控制方式，其中电流环可以改善速度回路控制对象的特性，但并不能抑制电机磁场谐波引起的力矩波动。熊皑等人在文献《光电跟踪系统力矩波动干扰抑制的研究》(参见《电光与控制》，2009，16(4)，pp72-74)中指出，可以通过提高速度环的带宽来抑制电机的力矩波动。但由于受机械谐振和延时等因素的影响，速度环的带宽并不能提得很高。Kento Nakamura等人在文献《Torque Ripple Suppression Control for PM Motor with High Bandwidth Torque Meter》(IEEE，2009，pp2572-2577)中采用高带宽的力矩传感器形成转矩闭环，能将转矩谐波抑制到原来的40％以下。但扭矩传感器需安装在电机与负载中间，不便于工程实现。Se-Kyo Chung等人在文献《A new instantaneous torque control of PM synchronous motor for high-performance direct-drive applications》中采用转矩估计器对转矩进行辨识，进而形成转矩闭环，但转矩闭环带宽受转矩估计器响应能力的限制，所以只适用于转矩变化不大的场合。但跟踪系统速度变化剧烈，需要系统具有快速的转矩响应能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有跟踪控制系统中电流环对力矩控制精度不高而导致的转矩波动、转速波动问题，提供一种高精度跟踪系统中引入力矩修正的多闭环方法，该方法采用引入具有力矩修正功能的转矩估计器，一方面可以达到对转矩的精确控制，另一方面可以克服转矩闭环带宽较低的缺点。

本发明的技术解决方案：高精度跟踪系统中采用转矩估计器实时估计出力矩系数，以引入力矩修正的电流闭环和速度闭环的多闭环控制方式取代电流闭环和速度闭环，具体实现步骤如下：

(1)电流回路作为内回路，速度回路作为外回路。ω为电机的实际速度，而速度的期望值为ω^*。速度控制器的输入信号为ω^*-ω，速度控制器的输出值乘以增益修正值K′，得到i_qs^*，作为电流回路的期望值。电流控制器的输入信号为电流回路的期望值i_qs^*-i_qs，其中i_qs为电流实际值。电流控制器的输出信号为加给电机的电压信号v_qs。转矩估计器的输入信号包括速度、电流和电压信号，输出为增益修正值K′，K′用来修正速度控制器的输出信号，以得到电流回路的期望信号i_qs^*。电机的电流和速度信号由相应的传感器测得，电压信号由于是控制器本身输出的信号，不需要传感器测量。

(2)设计电流控制器，使电流环路具有较高的带宽，以保证永磁同步电机具有足够快的力矩响应。电流回路采用矢量控制，控制算法采用P I算法；

(3)设计速度控制器，使速度开环传递函数至少为I型系统，速度控制器控制算法为：其中K_p为比例系数，K_i为积分系数，s为拉普拉斯算子；

(4)设计永磁同步电机的转矩估计器，使其能实时估计出电机的转矩系数通过计算得到增益修正值K′，其中，K_t为电机的额定转矩系数。转矩估计器设计方法可以采用模型参考自适应观测器、滑模变结构观测器或卡尔曼观测器等。

所述增益修正值K′可以放在速度控制器之后，也可以放在电流控制器中或者放在电流反馈回路。

本发明与现有技术相比的优点在于：