[发明专利]一种永磁直驱伺服电机的低速运行控制方法

说明书

本发明公开了一种永磁直驱伺服电机的低速运行控制方法，属于发电、变电、配电的技术领域。本发明利用积分器将传统的速度指令转化为实时的转子位置轨迹。在位置‑电流两环控制的基础上，设计转子位置追踪控制器实现对该轨迹的平滑追踪，从而获得稳定的速度。本发明公开的方法在驱动电机时能够在低速甚至极低速下同时抑制周期性和非周期性转矩扰动，且无需精确的速度反馈和特定的转矩扰动信息，实现简单，从而提高了直驱伺服系统低速控制的精度、响应速度和鲁棒性。

技术领域

本发明公开了一种永磁直驱伺服电机的低速运行控制方法，尤其涉及一种能在低速甚至极低速下抑制周期性和非周期性转矩扰动的方法，属于发电、变电、配电的技术领域。

背景技术

不同于传统的伺服系统，永磁直驱伺服系统取消了如减速器之类的齿轮传动机构，并采用低速大转矩电动机直接驱动负载，具有结构紧凑、精度高、效率高、动态响应快、可靠性高、噪声低等一系列优点，因此，被广泛应用于工业、航空航天等的高性能伺服设备中。

但是，电动机通常会受到系统自身(如齿槽转矩，谐波转矩)和外部负载(如负载转矩，摩擦转矩)的转矩干扰，而且由于没有传动或减速机构，这些干扰会直接在负载和电机轴间传递。虽然在中高速下一些干扰的影响可以忽略不计，但是对于低速甚至超低速运行状况，转速的稳定性和性能将会受到严重影响，从而降低伺服系统的精度和性能。因此，如何减轻复杂多变的转矩扰动对低速甚至超低速运行电机的影响是直驱伺服系统面临的重要问题。

永磁电机伺服系统的常规速度控制策略可以简要分为三部分：速度外环，电流内环和脉冲宽度调制模块。其中，速度外环控制器通常基于简单可靠的比例积分调节器，但在某些高性能应用中，其抗干扰性能并不理想。因此，众多学者提出了各种方法来抑制转矩干扰，其中，比例谐振控制、重复控制和迭代学习控制可被用于抑制齿槽转矩、磁通谐波、电流测量误差和相位不平衡等周期性干扰，但是上述方法往往需要知道扰动的具体频率信息。对于非周期性扰动，如突加突卸负载和随机性扰动，一些学者还研究了不同的扰动观测器，包括降阶观测器、扩展状态观测器、滑模扰动观测器等，以通过直接电流补偿的方法进行抑制，但是观测的准确性通常会因速度过低和模型不准确而受到影响，进而降低补偿效果，而且，不可避免地伴随着算法和实现复杂性的增加。另外还有学者通过滑模控制方法来抑制非周期扰动，但不可避免地会遇到抖振问题，而且对于低速甚至超低速运行来说，抖振对于速度波动的影响更是不能忽略的。

通常，对于上述具有速度外环的传统控制策略，准确的速度反馈是基本要求。对于中高速来说，速度信息通常易于获取，可以保证其准确性。但是，在低速甚至超低速下，即使位置测量的误差很小，速度计算中的微分运算也会在速度信息中引起较大的误差，如果将这种不精确的速度信号用作反馈，不仅会影响速度稳定性，而且会削弱抗转矩扰动能力。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种永磁直驱伺服电机的低速运行控制方法，根据转速和转子位置之间的导数关系，将速度控制转换为位置控制。基于位置-电流两环控制框架，设计转子位置追踪控制器，保证对实时位置轨迹的平滑跟踪，从而获得稳定的速度。使用这种策略，改善了永磁直驱伺服电机低速运行时对周期性和非周期性转矩扰动的抑制效果，且无需精确的速度反馈和具体的转矩扰动信息，实现简单。解决了基于低速状态下位置量测值追踪永磁直驱电机转速的反馈控制影响速度稳定性且削弱抗转矩扰动能力的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种永磁直驱伺服电机的低速运行控制方法，包括如下步骤：

A、基于转子速度和位置之间的导数关系，通过引入积分器，将速度指令转为实时转子位置轨迹；

B、在位置-电流两环控制的基础上，设计转子位置追踪控制器，输出交轴给定电流；

C、根据位置轨迹的实时特性，设计转子位置追踪控制器中的滤波器结构，实现无稳态误差跟踪；