一种精确控制交流伺服电机转速的装置及其控制方法与流程

本发明涉及化工机械领域，具体为一种精确控制交流伺服电机转速的装置及其控制方法。

背景技术：

交流伺服电机由于稳定性好、适应性强、加减速动态响应及时、热消耗少和噪音低等优点，广泛应用于机床制造业、汽车制造业、铸件制造业等众多工业制造领域。工业中使用交流伺服电机经常需要调节电机的转速，控制电机转速的系统一般都是由内环电流环pid、外环速度环pid构成。电流环为了控制电机转矩，是控制的根本，电流环为了控制速度调节的动态响应，让速度调节更加平稳。但是随着电机转速提高，反馈速度的测量误差通常会影响电机转动的稳定性，而且速度环pid中的积分增量由于长时间累计误差，也会引起速度控制上的偏差，致使电机的转速产生偏差，因此会导致不能精确平稳地控制电机转速。

技术实现要素：

为了克服上述的不足，本发明提出一种精确控制交流伺服电机转速的装置及其控制方法。

本发明采取的技术方案如下：

一种精确控制交流伺服电机转速的装置，包括单片机、差分信号采集和光耦隔离模块、三相pwm驱动模块、电机编码器、霍尔传感器。数字脉冲发生器与差分信号采集和光耦隔离模块的输入相连接；差分信号采集和光耦隔离模块的输出与单片机16引脚连接，使用单片机计数器采集数字脉冲频率；单片机51～56引脚连接三相pwm驱动模块的输入，用于产生三相pwm波形，控制pwm驱动模块；三相pwm驱动模块的输出连接三相交流伺服电机a/b/c三相端子；三相交流伺服电机安装电机编码器；电机编码器的差分信号输出连接差分信号采集和光耦隔离模块的输入；差分信号采集和光耦隔离模块的输出与单片机58、59引脚连接，使用单片机相位计数器采集电机转速；霍尔传感器连接到三相pwm驱动模块的输出；霍尔传感器的输出连接到单片机80、81引脚，使用单片机ad转换模块，采集电机的电流。

一种精确控制交流伺服电机转速的装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)读取当前时刻t的电机编码器脉冲数，计算反馈频率增量plsd

plsd＝(plsnew-plsold)*plsg，

公式中plsnew是当前时刻t读取的电机编码器脉冲数，plsold是上一时刻t-1读取的编码器脉冲数，plsg是电机轴编码器补偿值，

(2)更新当前时刻t的测量频率hz，

hz＝hz+plsd

(3)当前时刻t的测量频率hz经过滤波处理，得到反馈频率hzf

hzf＝hzf+(hz-hzf)/hzt，

公式中hzt是电机轴编码器脉冲频率滤波时间常数，取除法的余数，下一时刻t+1运算时累加上该余数；

(4)计算当前时刻t设定速度和反馈速度的偏差hzd，并限幅

hzd＝hzs-hzf，

公式中hzs是电机当前时刻t速度设定值，当hzd＞hzsth时，hzd＝hzsstep，公式中hzsstep是速度的调节步长设定值；

(5)计算当前时刻t速度积分量sek，

sek＝sek+hzd/icr，

公式中icr是积分系数，取除法的余数，下一时刻t+1运算时累加上该余数，

(6)计算速度环控制输出量hzi

hzi＝hzd*pg+sek+zrs，

公式中pg是比例系数，zrs是偏置系数；

(7)通过反馈频率增量plsd，计算正弦波查找表的索引值tim

tim＝tim+plsd*phg，

公式中phg是单位时间的相位比例系数，

(8)通过索引值tim，查找表得到正弦值sin和余弦值cos，

(9)计算三相pwm的控制量ui，vi

ui＝hzm*cos-hzi*sin，

vi＝(hzm*sin+hzi*cos)*√3-ui)/2，

公式中hzm是虚部设定常数，

(10)读取霍尔传感器的电流值uf，vf，

(11)计算电流偏差ud，vd，

ud＝ui-uf，

vd＝vi-vf，

(12)计算输出控制量uo，vo，wo，用于设定三相pwm的占空比

uo＝ud*ig+zr，

vo＝vd*ig+zr，

wo＝ud*ig+vd*ig+zri，

公式中ig是比例系数，zri是偏置系数。

有益效果：本发明提出了一种精确控制交流伺服电机转速的装置，可以精确平稳的控制电机速度。电路结构简单，速度采集、电流采集、三相互补pwm的产生等都是通过主控单片机实现的，只需要添加少许的外围电路。通过数字脉冲发生器产生的数字脉冲频率来控制电机转速，数字脉冲发生器装置简单。在计算电机反馈速度时，进行了数字信号滤波处理，从而使电机高速运转时转速可以保持平稳。计算反馈速度滤波和速度环积分时，除法运算过程中保留小数精度，从而避免累计误差。

附图说明

图1是一种精确控制交流伺服电机转速的装置电路结构图。

图2是一种精确控制交流伺服电机转速的装置的控制方法流程图。

具体实施方式

如图1-2所示：单片机的型号r5f524u，差分信号采集和光耦隔离模块的型号tpl2745，三相pwm驱动模块的型号fp25r12kt3，电机编码器型号sjh101b5vl625004p，三相交流伺服电机的型号tsm3p7c25，霍尔传感器的型号l18p025d15。数字脉冲发生器与差分信号采集和光耦隔离模块的输入相连接；差分信号采集和光耦隔离模块的输出与单片机16引脚连接，使用单片机计数器采集数字脉冲频率；单片机51～56引脚连接三相pwm驱动模块的输入，用于产生三相pwm波形，控制pwm驱动模块；三相pwm驱动模块的输出连接三相交流伺服电机a/b/c三相端子；三相交流伺服电机安装电机编码器；电机编码器的差分信号输出连接差分信号采集和光耦隔离模块的输入；差分信号采集和光耦隔离模块的输出与单片机58、59引脚连接，使用单片机相位计数器采集电机转速；霍尔传感器连接到三相pwm驱动模块的输出；霍尔传感器的输出连接到单片机80、81引脚，使用单片机ad转换模块，采集电机的电流。

一种精确控制交流伺服电机转速的装置的控制方法，包括以下步骤：

(1)读取当前时刻t的电机编码器脉冲数，计算反馈频率增量plsd

plsd＝(plsnew-plsold)*plsg，

公式中plsnew是当前时刻t读取的电机编码器脉冲数，plsold是上一时刻t-1读取的编码器脉冲数，plsg是电机轴编码器补偿值，1≤plsg≤32

(2)更新当前时刻t的测量频率hz，

hz＝hz+plsd

(3)当前时刻t的测量频率hz经过滤波处理，得到反馈频率hzf

hzf＝hzf+(hz-hzf)/hzt，

公式中hzt是电机轴编码器脉冲频率滤波时间常数，1≤hzt≤100，取除法的余数，下一时刻t+1运算时累加上该余数；

(4)计算当前时刻t设定速度和反馈速度的偏差hzd，并限幅

hzd＝hzs-hzf，

公式中hzs是电机当前时刻t速度设定值，当hzd＞hzsth时，hzd＝hzsstep，公式中hzsstep是速度的调节步长设定值，0≤hzsstep≤40；

(5)计算当前时刻t速度积分量sek，

sek＝sek+hzd/icr，

公式中icr是积分系数，1≤icr≤100，取除法的余数，下一时刻t+1运算时累加上该余数，

(6)计算速度环控制输出量hzi

hzi＝hzd*pg+sek+zrs，

公式中pg是比例系数，10≤pg≤80，zrs是偏置系数，0≤zrs≤60；

(7)通过反馈频率增量plsd，计算正弦波查找表的索引值tim，

tim＝tim+plsd*phg，

公式中phg是单位时间的相位比例系数，0.01≤phg≤100

(8)通过索引值tim，查找表得到正弦值sin和余弦值cos，

(9)计算三相pwm的控制量ui，vi，

ui＝hzm*cos-hzi*sin，

vi＝(hzm*sin+hzi*cos)*√3-ui)/2，

公式中hzm是虚部设定常数，20≤hzm≤80，

(10)读取霍尔传感器的电流值uf，vf，

(11)计算电流偏差ud，vd，

ud＝ui-uf，

vd＝vi-vf，

(12)计算输出控制量uo，vo，wo，用于设定三相pwm的占空比

uo＝ud*ig+zr，

vo＝vd*ig+zr，

wo＝ud*ig+vd*ig+zri，

公式中ig是比例系数，1≤ig≤100，zri是偏置系数，200≤zri≤800。