一种永磁同步电机位置控制方法与流程

1.本发明属于永磁同步电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机位置控制方法。


背景技术：

2.目前，港口集装箱车载货车一般为纯电卡车，为了提高吊装集装箱效率，需要载货车的停车定位精度在10厘米以内。市场上的集装箱车载货车一般通过踩油门加速和踩刹车减速综合调整整车位置，由于整车惯性很大，人为加速减速很难控制停车精度，停车时间长，降低集装箱吊装效率。
3.也有采用自动驾驶的集装箱载货车，其电驱系统采用永磁同步电机，控制方式如图所示，通常采用内环为电流环，中间环为转速环、最外环为位置环的级联的控制结构。
4.位置环的作用是根据位置指令的形式产生相应的速度指令，使电机转子位置能够准确跟随指令信号到达给定位置实现快速定位的功能，位置环常利用位置偏差和调节器来产生相应控制电压。在电机刚起动时，转子位置与指令偏差较大，能够产生较大控制电压使电流达到限幅值以最大电流快速起动，在接近给定的小偏差过程是，产生反向制动的电流指令使转速逐渐减小到停止，最终完成定位过程。
5.一般位置控制器采用的比例(p)控制器，即对位置偏差进行放大产生控制电压。由于集装箱载货车重量大，惯性大，但通常单一的比例(p)控制很容易产生超调，无法满足位置控制过程的瞬态响应要求。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种永磁同步电机位置控制方法，提出加入前馈控制，通过前馈控制把位置给定量的变化率作为速度及加速度给定量的补偿，克服整车惯性大的问题，改善位置控制动态性能。
7.本发明采用的技术方案是：一种永磁同步电机位置控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
8.步骤1，通过位置与速度检测器获得永磁同步电机转子的实时角度以及转速，参考角度与测量的角度的差值输入位置环比例控制器，参考角度同时输入前馈控制器，将位置环比例控制器的输出值与前馈控制器的输出值相加得到速度环的输入参考值；
9.步骤2，在速度环中，输入参考值与测量的转速作差输入速度环比例积分控制器，速度环比例积分控制器的输出值将作为q轴电流环的输入参考值；
10.步骤3，采样获得永磁同步电机的相电流的值和永磁同步电机转子的实时角度，通过clarke和park变换得到q轴电流参考值和d轴电流参考值；d轴电流参考值与测量值作差输入d轴pi控制器，q轴电流参考值与测量值作差输入q轴pi控制器；
11.步骤4，对步骤3中的d轴pi控制器、q轴pi控制器的输出值和永磁同步电机转子的实时角度进行反clarke变换，得到αβ平面的电压值，输入svpwm模块得到控制六相逆变器的占空比，从而对永磁同步电机实现闭环控制。
12.上述技术方案中，步骤1中，前馈控制器和位置环比例控制器结合形成前馈-比例控制下的位置环控制结构，对位置控制的动态过程进行改善。
13.上述技术方案中，步骤1中，参考角度与测量的角度的差值经位置环比例控制器采用比例放大系数计算后，与参考角度经前馈控制器的前馈闭环函数的计算结果相加后经速度闭环函数计算，该计算结果是q轴电流参考值。
14.上述技术方案中，步骤1中，由于通常转速环带宽远远高于位置环，因此速度闭环传递函数gn(s)可表示为：
[0015][0016]
式中：t
ω
为转速环带宽的倒数,k
ω
为转速环带宽的比例增益。
[0017]
上述技术方案中，步骤1中，前馈-比例控制下，位置环比例控制器的闭环传递函数表示为：
[0018][0019]
其中，k
p
为比例放大系数，gn(s)为速度闭环传递函数，gf(s)前馈控制器的传递函数。
[0020]
上述技术方案中，步骤1中，位置环的误差传递函数为：
[0021][0022]
其中，k
p
为比例放大系数，gn(s)为速度闭环传递函数，gf(s)前馈控制器的传递函数。
[0023]
上述技术方案中，步骤1中，当分子为0时，系统跟随信号的误差为0，前馈控制器的传递函数为：
[0024][0025]
其中，a1和a2分别为速度前馈补偿项和加速度前馈补偿项。
[0026]
上述技术方案中，步骤1中，前馈控制器的传递函数的速度前馈补偿为：
[0027][0028]
其中，kw为转速环带宽的比例增益。
[0029]
上述技术方案中，步骤1中，前馈控制器的传递函数的加速度前馈补偿为：
[0030][0031]
其中，tw为转速环带宽的倒数；kw为转速环带宽的比例增益。
[0032]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有永磁同步电机位置控制方法程序，所述永磁同步电机位置控制方法程序被车辆控制器执行时实现上述技术方案中所述永磁同步电机位置控制方法的步骤
[0033]
本发明的有益效果是：由于集装箱载货车重量大，惯性大，采用人为操作油门和刹车很难控制整车停车位置精度。采用一般电机位置控制器，即对位置偏差进行放大产生控制电压，容易出现超调和振荡。为了满足瞬态响应要求，本专利提出加入前馈控制，通过前馈控制把位置给定量的变化率作为速度及加速度给定量的补偿，克服整车惯性大的问题，改善位置控制动态性能。为了解决集装箱载货车整车位置控制问题，在电机位置控制比例(p)控制器中引入前馈控制器，对位置控制的动态过程进行改善，通过加速度补偿即为对整车大惯性的补偿，通过对该项补偿能够有效提高整车位置控制精度及动态性能。
附图说明
[0034]
图1为本发明的示意图；
[0035]
图2为本发明的前馈-比例控制下的位置环控制结构框图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
[0037]
如图1所示，本发明提供了一种永磁同步电机位置控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0038]
步骤1，通过位置传感器永磁同步电机转子的实时角度并传递至位置与速度检测器；通过位置与速度检测器获得永磁同步电机转子的角度以及转速；位置与速度检测器将测量的角度发送至位置环比例控制器；参考角度与测量的角度的差值输入位置环比例控制器，参考角度同时输入前馈控制器，将位置环比例控制器的输出值与前馈控制器的输出值相加得到速度环的输入参考值；
[0039]
步骤2，位置与速度检测器将测量的转速发送至速度环；在速度环中，输入参考值与测量的转速作差输入速度环比例积分控制器，速度环比例积分控制器的输出值将作为q轴电流环的输入参考值；
[0040]
步骤3，采样获得永磁同步电机的相电流的值和永磁同步电机转子的实时角度，通过clarke和park变换得到q轴电流参考值和d轴电流参考值；d轴电流参考值与测量值作差输入d轴pi控制器，q轴电流参考值与q轴电流环的输入参考值作差输入q轴pi控制器；
[0041]
步骤4，对步骤3中的d轴pi控制器、q轴pi控制器的输出值和永磁同步电机转子的实时角度进行反clarke变换，得到αβ平面的电压值，输入svpwm模块得到控制六相逆变器的占空比输出至三相逆变器，经由三相逆变器对永磁同步电机实现闭环控制。
[0042]
上述技术方案中，步骤1中，前馈控制器和位置环比例控制器结合形成前馈-比例控制下的位置环控制结构，对位置控制的动态过程进行改善。
[0043]
上述技术方案中，步骤1中，参考角度与测量的角度的差值经位置环比例控制器采用比例放大系数计算后，与参考角度经前馈控制器的前馈闭环函数的计算结果相加后经速度闭环函数计算，该计算结果是q轴电流参考值。
[0044]
上述技术方案中，步骤1中，由于通常转速环带宽远远高于位置环，因此速度闭环传递函数gn(s)可表示为：
[0045][0046]
式中：t
ω
为转速环带宽的倒数,k
ω
为转速环带宽的比例增益。
[0047]
上述技术方案中，步骤1中，前馈-比例控制下，位置环比例控制器的闭环传递函数表示为：
[0048][0049]
其中，k
p
为比例放大系数，gn(s)为速度闭环传递函数，gf(s)前馈控制器的传递函数。
[0050]
上述技术方案中，步骤1中，位置环的误差传递函数为：
[0051][0052]
其中，k
p
为比例放大系数，gn(s)为速度闭环传递函数，gf(s)前馈控制器的传递函数。
[0053]
上述技术方案中，步骤1中，当分子为0时，系统跟随信号的误差为0，前馈控制器的传递函数为：
[0054][0055]
其中，a1和a2分别为速度前馈补偿项和加速度前馈补偿项。
[0056]
上述技术方案中，步骤1中，前馈控制器的传递函数的速度前馈补偿为：
[0057][0058]
其中，kw为转速环带宽的比例增益。
[0059]
上述技术方案中，步骤1中，前馈控制器的传递函数的加速度前馈补偿为：
[0060][0061]
其中，tw为转速环带宽的倒数；kw为转速环带宽的比例增益。
[0062]
本发明专利，为了解决集装箱载货车整车位置控制问题，在电机位置控制比例(p)控制器中引入前馈控制器，对位置控制的动态过程进行改善。该前馈-比例控制下的位置环控制结构框图如图2所示。图中gf(s)为前馈闭环函数，k
p
为比例放大系数，gn(s)为速度闭环函数。
[0063]
由于通常转速环带宽远远高于位置环，因此速度闭环传函可表示为：
[0064][0065]
式中：t
ω
为转速环带宽的倒数,k
ω
为转速环带宽的比例增益。
[0066]
前馈-比例控制下，位置环的闭环传函可表示为：
[0067][0068]
位置环的误差传递函数为：
[0069][0070]
由式3可知，当分子为0时，系统跟随信号的误差为0，可求出前馈控制器的传递函数为：
[0071][0072]
式中
[0073]
分别为速度前馈补偿项和加速度前馈补偿项，加速度补偿即为对整车大惯性的补偿，通过对该项补偿能够有效提高整车位置控制精度及动态性能。
[0074]
由于集装箱载货车重量大，惯性大，采用人为操作油门和刹车很难控制整车停车位置精度。采用一般电机位置控制器，即对位置偏差进行放大产生控制电压，容易出现超调和振荡。为了满足瞬态响应要求，本专利提出加入前馈控制，通过前馈控制把位置给定量的变化率作为速度及加速度给定量的补偿，克服整车惯性大的问题，改善位置控制动态性能。
[0075]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有永磁同步电机位置控制方法程序，所述永磁同步电机位置控制方法程序被车辆控制器执行时实现上述技术方案中所述永磁同步电机位置控制方法的步骤。
[0076]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0077]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0078]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0079]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计
算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0080]
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。