一種直流電機電流控制器參數自整定系統及方法與流程

2023-05-28 15:37:41

本發明涉及一種電機參數自整定的方法，具體涉及應用於直流電機電流控制器的參數自整定方法。

背景技術：

智能化和高性能化是當今伺服技術發展的兩個重要特徵。智能化是指用戶在使用伺服時，不需要或儘量少地進行參數設置、參數調節等工作，伺服驅動器產品能夠自行完成參數設置和參數調節。如果沒有智能化的相關技術，用戶需要自行調試驅動器或者由產品生產公司的工程人員去現場調試，其中耗費不少的時間和人力成本；而且手動整定的過程十分繁瑣複雜，速度哦伺服系統的控制參數在沒有進行良好的整定就投入用戶運行，導致伺服系統的性能沒有得到完整的發揮。如果能提升伺服產品的智能化技術，這樣將大大減少時間成本和勞動成本，為用戶使用伺服產品提供很大的方便。

在伺服系統參數自整定的技術領域內，目前比較成熟的現有技術主要有兩大類：第一類是基於經驗的自整定方案，具體是模擬工程師進行參數調節的過程，用一個參數尋優的過程和若干性能評價標準來完成自整定；第二類是基於模型的自整定方案，具體是先對電機進行機理建模，然後按照控制理論裡的頻域校正相關方法來確定電機的具體控制參數。

第一類自整定方案的優點是自整定效果較好，表現為自整定得到的參數對應的電機性能較好，缺點是自整定耗費的時間過長，給用戶的使用體驗欠佳；第二類自整定方案的優點是自整定過程較快，不容易給用戶較差的使用體驗，缺點是自整定參數受電機模型的準確性影響很大，當電機模型的精度下降時，自整定得到的參數會與最佳性能對應的參數有較大的差距。

當今伺服產品的不斷發展要求電流控制器自整定技術能同時擁有自整定效果好和自整定過程較快的優點，使得用戶不僅能獲得較好的使用體驗，也能得到滿意的參數自整定效果。

技術實現要素：

技術問題：

本發明提供了一種直流電機電流控制器參數自整定的方法，可大範圍應用於當今直流伺服產品的電流控制器參數自整定功能，與現有技術相比具有自整定過程簡單和自整定效果好的優點。

技術方案：

本發明所要解決的技術問題是為了改善現有伺服系統參數自整定技術的整定效果，縮短自整定技術的整定時間，提出了一種新型直流電機電流控制器參數自整定系統及方法。

為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是。

一種直流電機電流控制器參數自整定系統，其特徵在於，包括：

在線指令規劃單元，為直流電機規劃出三段電樞電壓指令；

電機參數辨識單元，在所述在線指令規劃單元規劃的三段電樞電壓指令時間內，分別測試並記錄電機的電樞電壓、電樞電流和轉速數據，按照直流電機參數辨識方程計算出電機的電樞電阻、電樞電感和反電勢係數之值；

截止頻率估計單元，根據所述電機參數識別單元計算出的電機的電樞電阻和電樞電感之值，結合截止頻率估計公式估計出電機的截止頻率；

電流控制器參數計算單元，根據所述電機參數識別單元計算出的電樞電阻、電樞電感參數和所述截止頻率估計單元得到的電機的截止頻率，根據電流控制器參數計算公式得到電流控制器參數。

還包括一個電流控制器參數評價單元，將驅動器按照所述電流控制器參數計算單元得到的控制參數執行一次額定電流的電流階躍響應結果顯示給用戶，通過與設定的滿意度指標(超調量不大於15％，穩態波動不大於5％)比較，在所述電流控制器參數計算單元得到的電流控制器參數的基礎上微調參數。

一種直流電機電流控制器參數自整定方法，其特徵在於，步驟為：

步驟一：在線指令規劃步驟，為直流電機規劃出三段電樞電壓指令；

步驟二：電機參數辨識步驟，在步驟一所述的三段電樞電壓指令時間內，分別測試並記錄電機的電樞電壓、電樞電流和轉速數據，對記錄的數據進行處理，然後按照直流電機參數辨識方程計算出電機的電樞電阻、電樞電感和反電勢係數之值；

步驟三：截止頻率估計步驟，根據步驟二計算出的電機的電樞電阻和電樞電感之值，結合截止頻率估計公式估計出電機的截止頻率；

步驟四：電流控制器參數計算步驟，根據步驟二得到的電樞電阻、電樞電感參數和步驟三得到的電機的截止頻率，根據電流控制器參數計算公式得到電流控制器參數。

還包括：步驟五：電流控制器參數評價步驟，將步驟四得到的電流控制器參數顯示給用戶，並讓驅動器按照該控制參數執行一次額定電流的電流階躍響應，將電流階躍響應結果顯示給用戶。若用戶對結果滿意，則整定結束；若用戶不滿意，則在步驟四得到的電流控制器參數的基礎上微調參數。以用戶微調的參數再次執行額定電流的電流階躍響應，並顯示給用戶。步驟五以用戶對電流階躍響應滿意為結束標準。

進一步的，步驟一所述的三段電樞電壓指令包含以下特徵：三段電樞電壓指令的形式都是隨時間正弦變化的；三段電樞電壓指令的幅值為電機的額定電流；三段電樞電壓指令的頻率分別為工頻、兩倍工頻和三倍工頻。

所述工頻為50Hz。

進一步的，步驟二所述的直流電機參數辨識方程具體為：

式中R為電樞電阻，L為電樞電感，Ce為反電勢係數，為求導數運算算子，[]-1為求逆矩陣算子，U1、I1和ω1分別表示在t1～t2時間內記錄的電樞電壓、電樞電流和轉速數據；U2、I2和ω2分別表示在t3～t4時間內記錄的電樞電壓、電樞電流和轉速數據；U3、I3和ω3分別表示在t5～t6時間內記錄的電樞電壓、電樞電流和轉速數據；

進一步的，步驟三所述的截止頻率估計公式為：

進一步的，步驟四所述的電流控制器參數計算公式為：

比例參數Kp：

積分參數KI：

式中，Kcf為所用驅動器的電流反饋係數，KPWM為所用驅動器的開關頻率，Ts為所用驅動器的電流採樣時間。

進一步的，步驟五中用戶如果對額定電流的電流階躍響應不滿意，微調參數的標準為：如果電流階躍響應的調節時間過長，則適當增大比例參數Kp；如果電流階躍響應的超調偏大，則適當減小比例參數Kp；如果電流階躍響應的穩態誤差較大，則適當增大積分參數KI；如果電流階躍響應的穩態震蕩較嚴重，則適當減小積分參數KI。

自整定最終結束以用戶對額定電流的電流階躍響應的結果滿意為標準，最終得到的電流控制器參數為精確自整定後的電流控制器參數。

本發明的優點：

1、自整定過程簡單。本發明的整定方法步驟簡單，所有步驟都很方便在驅動器的軟體代碼中實現，無需硬體上的工作。具體表現為本發明的步驟一至五都在電機驅動器中通過軟體的方式實現，無需軟體以外的更改，從而避免了複雜性的提高，方便現有的產品採用本發明中的自整定技術。

2、自整定效果好。本發明首先將直流電機的機理模型準確建立出來，然後根據所建立的機理模型計算得到粗略自整定後的電流控制器參數，在此基礎上經過電流控制器參數評價單元可以得到令用戶滿意的精確自整定後的電流控制器參數。本發明通過在線指令規劃和電機參數辨識得到精確的電機參數，然後計算得到電機截止頻率，進而自整定出理論上可靠的電流環參數，然後經過電流環參數評價步驟，確保電流環參數對應的自整定效果。

附圖說明：

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1：本發明的系統結構圖；

圖2：本發明的步驟流程圖；

圖3：本發明的控制結構框圖；

圖4：本發明的電樞電壓指令示意圖。

圖中標記說明如下。

I*：電樞電流給定值；

Kt：直流電機轉矩係數；

J：直流電機的轉動慣量；

B：直流電機的阻尼係數；

電流PI調節器：直流電機所採用的比例(P)積分(I)控制器。

具體實施方式：

為了使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明所保護的範圍。

本發明是為了改善現有伺服系統參數自整定技術的整定效果，縮短自整定技術的整定時間，提出了一種新型直流電機電流控制器參數自整定方法。為了說明本發明的具體實施方式，下面結合某市售的直流電機進行說明。

該直流電機的參數具體為：電樞電阻R為1.53Ω；極對數nP為4；電樞電感L為0.2mH；額定電流為3A；電流環控制周期為50μs。具體的，電機所用的控制結構可以參考說明書附圖2。

步驟一：在線指令規劃單元。為直流電機規劃出三段電樞電壓指令。

所規劃的三段電樞電壓指令是隨時間正弦變化的；三段電樞電壓指令的幅值為直流電機的額定電流3A；三段電樞電壓指令的頻率分別為工頻、兩倍工頻和三倍工頻，即為50Hz、100Hz和150Hz；三段電樞電壓指令之間可以留有時間間隔，具體時間間隔的值由用戶自行確定，也可以不留時間間隔，比如可以留有1s的間隔時間。

為方便起見，工頻、兩倍工頻和三倍工頻的三段電樞電壓指令可分別由(ω,In)、(2ω,In)和(3ω,In)表示，式中ω表示工頻，In表示電機的額定電流。更具體的，三段電樞電壓指令具體可以參考說明書附圖3的示意。

步驟二：電機參數辨識單元。在步驟一三段電樞電壓指令時間內，分別測試並記錄電機的電樞電壓、電樞電流和轉速數據，對記錄的數據進行處理，然後按照直流電機參數辨識方程計算出電機的電樞電阻、電樞電感和反電勢係數之值。

令三段電樞電壓指令(ω,In)、(2ω,In)和(3ω,In)作用於直流電機的時間分別為t1～t2、t3～t4和t5～t6。在t1～t2、t3～t4和t5～t6這三段時間內，測試將電樞電壓指令輸入電機時的電樞電壓、電樞電流和轉速數據。

為闡述方便，在t1～t2時間內記錄的電樞電壓、電樞電流和轉速數據可以分別表示為U1、I1和ω1；在t3～t4時間內記錄的電樞電壓、電樞電流和轉速數據可以分別表示為U2、I2和ω2；在t5～t6時間內記錄的電樞電壓、電樞電流和轉速數據可以分別表示為U3、I3和ω3。所記錄的各個數據都是連續變化的。

在t1～t2、t3～t4和t5～t6這三段時間內分別對記錄的各數據進行數學上的積分運算。在t1～t2時間內對記錄的電樞電壓U1、電樞電流I1和轉速數據ω1分別進行數學上的積分運算得到第一段的電樞電壓積分值第一段的電樞電流積分值和第一段的轉速積分值仿照此操作，得到第二段的電樞電壓積分值第二段的電樞電流積分值和第二段的轉速積分值以及得到第三段的電樞電壓積分值第三段的電樞電流積分值和第三段的轉速積分值

然後利用直流電機參數辨識方程：

式中R為電樞電阻，L為電樞電感，Ce為反電勢係數，為求導數運算算子，[]-1為求逆矩陣算子。

通過直流電機參數辨識方程就可以計算出電機的電樞電阻、電感和反電勢係數之值。

步驟三：截止頻率估計單元。根據步驟二計算出的電機的電樞電阻和電感之值，結合截止頻率估計公式估計出電機的截止頻率。

根據直流電機的物理模型特徵，近似把直流電機看成一階低通濾波環節。結合一階低通濾波環節的截止頻率公式，直流電機的截止頻率可以估計為：

將實施例中的電樞電阻R＝1.53Ω和電樞電感L＝0.2mH代入即可得到實施例中直流電機的截止頻率。

步驟四：電流控制器參數計算單元。根據步驟二得到的電樞電阻、電樞電感參數和步驟三得到的電機的截止頻率，根據電流控制器參數計算公式得到電流控制器參數。

步驟四電流控制器參數計算公式具體特徵為：為了獲得更快速的電流響應，按照自動控制領域內的典型Ⅰ型系統設計電流控制器的比例參數Kp和積分參數KI。電流控制器參數計算公式具體為：

式中，Kcf為所用驅動器的電流反饋係數，KPWM為所用驅動器的開關頻率，Ts為所用驅動器的電流採樣時間。比如實施例中的直流電機對應的電流反饋係數為Kcf＝20，KPWM＝10000Hz，Ts＝50μs。

通過電流控制器參數計算公式即可得到粗略自整定後的電流控制器參數。

步驟五：電流控制器參數評價單元。將步驟四得到的電流控制器參數顯示給用戶，並讓驅動器按照該控制參數執行一次額定電流的電流階躍響應，將電流階躍響應結果顯示給用戶。若用戶對結果滿意，則整定結束；若用戶不滿意，則在步驟四得到的電流控制器參數的基礎上微調參數。以用戶微調的參數再次執行額定電流的電流階躍響應，並顯示給用戶。步驟五以用戶對電流階躍響應滿意為結束標準。

用戶如果對額定電流的電流階躍響應不滿意，微調參數的標準為：如果電流階躍響應的調節時間過長，則適當增大比例參數Kp；如果電流階躍響應的超調偏大，則適當減小比例參數Kp；如果電流階躍響應的穩態誤差較大，則適當增大積分參數KI；如果電流階躍響應的穩態震蕩較嚴重，則適當減小積分參數KI。

自整定最終結束以用戶對額定電流的電流階躍響應的結果滿意為標準，最終得到的電流控制器參數為精確自整定後的電流控制器參數。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。