一種電機控制方法與流程

2023-08-02 15:13:41

本發明涉及一種電機控制方法。

背景技術：

當伺服系統的增益提高時，振動現象普遍存在於非剛性系統中，影響系統的控制精度。中國發明專利CN105375850A，提出了一種基於特殊的「峰值-帶通濾波器」的振動抑制方法。可以對電機轉速進行振動量的提取，並將振動量乘以一個振動補償係數後，加算到速度給定指令中，該方法可以有效抑制機械系統的諧振。

但是，實際工程運用中，在某些低柔性的多質量機械系統場合，振動表現為在相同負載條件下，系統的振動頻率隨著控制增益的變化而變化，而非固定頻率點的振動。在其頻譜曲線上，並沒有突出的諧振點。此時電機控制系統變的極易不穩定，電機控制器的增益的設置受限，從而使得系統響應性較差。在此工況下，使用該發明的控制方案，抑振效果不佳。針對此種工況，本發明設計了一種對特殊頻率點微分控制的速度控制器，有效解決了以上這種由於控制系統不穩定帶來的振動問題。

實際工程運用中，在某些柔性低的多質量機械系統場合，表現為在相同負載條件下，系統的振動頻率隨著控制增益的變化而變化，而非機械諧振引起的固定頻率點的振動。此時電機控制系統極易變的不穩定，電機控制器的增益的設置受限，從而使得系統響應性較差。此時使用陷波濾波器等方案，會帶來控制系統的滯後，使得控制系統更加不穩定，帶來振動加劇的後果。傳統速度控制器為比例-積分調節器(以下稱為PI調節器)，由於沒有微分作用的存在，不能對控制信號進行提前預測，從而不能對誤差做出快速響應。但如果加入微分控制，系統又容易振蕩和帶來微分噪聲，參數難以調節。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題，在於克服現有技術存在的缺陷，提出了一種電機控制方法。在傳統速度控制器中加入阻尼增益控制，在速度控制器中對特定的振動頻率點實施微分控制。可以有效預測速度偏差中振動量的變化趨勢，增加了系統對振動量的衰減作用，從而抑制振動。由於僅對系統振動頻率點，進行阻尼增益控制，不存在直流量，故不會對速度環的響應造成影響。同時對幹擾噪聲不敏感，不會存在微分噪聲問題。

本發明為了實現發明目的，所提出的技術方案是，一種電機控制方法，其步驟如下：

步驟1、電機速度偏差中的振動量提取及微分

首先採用峰值-帶通濾波器，提取電機速度偏差中的振動量並作為微分控制的輸入。其次，採用振動量提取及微分器將提取的振動量進行微分，得到電機速度偏差振動微分量。實際工程實現時，為了避免微分環節再一次帶來相位變化及噪聲問題，可以將帶通濾波器和微分環節合併為振動量提取及微分器。

振動量提取中，採用的峰值-帶通濾波器傳遞函數為：

其中：ωn為峰值-帶通濾波器中心頻率(單位rad/s)，ξ為頻帶寬度係數，s為拉普拉斯變換算子。

振動量提取及微分器的傳遞函數為：

D(s)即為本發明所涉及的振動量提取及微分器的傳遞函數，幅值-頻率特性見圖1。

步驟2、相位調整

利用高通濾波器對電機速度偏差振動微分量進一步濾除直流量，利用低通濾波器進行相位調整。

步驟3、阻尼增益控制的實施

將相位調整後的速度偏差振動微分量，乘以阻尼增益，加算到速度控制器中。

本發明實施過程：對速度偏差進行振動分析，得到振動頻率。根據分析結果設定振動量提取及微分器的中心頻率和頻帶寬度係數。將速度偏差通過振動量提取及微分器，得到速度偏差振動微分量。將振動微分量通過一個高通濾波器和低通濾波器，進行直流量的去除和振動量相位的調整。將低通濾波器的輸出乘以阻尼增益後，加算到PI調節器的輸出中，得到新的電流指令。

本發明方法在傳統速度控制器中加入阻尼增益控制，該阻尼增益控制方法為在速度控制器中，採用一個振動量提取及微分器，對特定的振動頻率點實施微分控制。有效預測速度偏差中振動量的變化趨勢，增加系統對振動量的衰減作用，從而抑制振動。由於僅對系統振動頻率點，進行阻尼增益控制，不存在直流量，故不會對速度環的響應造成影響。同時對幹擾噪聲不敏感，不會存在微分噪聲問題。

附圖說明

圖1是本發明方法中，振動量提取及微分器的幅頻特性。

圖2是本發明方法實施例電氣硬體設備結構示意框圖。

圖3是未使用本發明方法抑制振動的電機速度波形圖。

圖4、使用本發明方法抑制振動的電機速度波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明方法作進一步詳細說明。

一般伺服系統為三環控制系統，即存在位置環、速度環以及電流環三個控制環路，本發明不涉及到位置環控制，為了簡便，在本實施例中省去位置環。本發明用于振動抑制實施方法如下，控制框圖如圖2所示，其中，振動量提取及微分器中的峰值-帶通濾波器在中國發明專利CN105375850A中已有詳細描述。

由給定電機轉速ωref減去電機速度ωm得到電機速度偏差ωe。速度偏差ωe在經過PI調節器調整後得到電流指令iqr。對速度偏差ωe進行振動分析，得到振動頻率fm(fm單位為Hz)。設定振動量提取及微分器(峰值-帶通濾波器)中心頻率ωn為fm/2π,頻帶寬度係數ξ＝0.2。將速度偏差ωe通過振動量提取及微分器，得到速度偏差ωe的振動微分量將振動微分量通過一個高通濾波器，進一步濾除直流量。將高通濾波器的輸出經過一個低通濾波器器，進行振動量相位的調整。將低通濾波器的輸出乘以阻尼增益Kd後，加算到PI調節器的輸出iqr中，得到新的電流指令iqr'。

具體實施步驟如下：

1、將給定電機速度ωref減去電機速度ωm得到速度偏差ωe。

2、速度偏差ωe經過PI調節器調整後，得到電流指令iqr。

3、對速度偏差ωe進行振動情況分析，得到振動頻率fm(fm單位為Hz)。

4、根據實際系統振動頻率的情況設定振動量提取及微分器中心頻率ωn和頻帶寬度係數ξ。設定振動量提取及微分器的中心頻率ωn為fm/2π,頻帶寬度係數ξ＝0.2。

5、將速度偏差ωe通過振動量提取及微分器，得到速度偏差ωe的振動微分量

6、將振動微分量通過一個高通濾波器，進一步濾除直流量。

7、將高通濾波器的輸出經過一個低通濾波器器，進行振動量相位的調整。

8、將低通濾波器的輸出乘以阻尼增益Kd後，得到微分控制量iqd。

9、將微分控制量iqd加算到PI調節器的輸出iqr中，得到新的電流指令iqr'。

本發明有益效果如圖3和圖4所示，圖3表示不使用本發明振動抑制控制算法時的電機轉速波形，電機轉速波形出現振蕩現象，且振蕩幅值越來越大，最終發散。圖4表示使用本發明振動抑制控制算法時的電機轉速波形，電機轉速波形未出現振蕩，系統達到穩定狀態。可見利用本發明，可有效抑制由於控制系統不穩定帶來的振動現象。