一种面向注塑过程的永磁同步电机控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及注塑生产的工业控制领域，特别是涉及一种面向注塑过程的永磁同步 电机控制方法。
【背景技术】
[0002] 一个注塑生产过程可分为：关模(mold-close)，注射(filling)，保压(packingholding )，冷凝 (cooling)/塑化(plastic i zing) ， 开模 (mold-open)五个阶段。其中注射阶 段，所需要控制的关键变量是注射速度，而螺杆推动高分子材料注射的动力源是永磁同步 电机(或异步电机）。因此，控制喷嘴的注射速度实际是控制永磁电机的转速。
[0003] 对注塑过程的永磁同步电机进行控制时，需要建立相关的模型，目前建模的方法 基本局限在整数阶微积分理论范畴，如在上述注塑成型加工过程的注射阶段，一般是用一 阶或二阶微分方程描述注射速度模型。从理论上分析，低于一阶的微分方程有无数种形式 (如1/2,1/3···1/η…等）；同样地，高于一阶而低于二阶的微分方程亦有无数种形式(如3/2， 4/3···(η+1)/η…等）。但是，注射阶段的速度模型不会如此巧合，正好是无数种微分方程中 的一阶或二阶模型，只是整数阶微积分理论发展比较成熟，人们习惯于用整数阶微积分方 程来逼近被控对象的实际模型。另外，针对高分子材料加工的研究发现，注塑过程中客观存 在分数阶的行为，如注塑过程高分子材料的解链以及熔化材料的粘弹性力学及非牛顿流体 力学等呈现出分数维的行为事实。具体表现如下：
[0004] 根据力学hook定律，理想高分子材料的弹性力0与弹性变形ε满足以下等式：
[0005] o(t)=Ee(t) (1)
[0006] 而理想Newton流体的应力σ与应变ε满足如下方程：
[0007]
(2)
[0008]其中，Ε、γ为材料特性系数。
[0009] 但注塑过程的高分子材料既不是理想固体材料，也不是理想的流体材料，而是介 于理想固体与流体之间。可见，传统对注塑过程的整数阶模型描述不能得到精准的数学模 型，进而不能客观地反映事物的本质，最后造成模型的失配，从而无法准确地对注塑过程的 永磁同步电机进行控制，导致最后注塑生产出来的注塑产品质量较差。
【发明内容】
[0010] 为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种面向注塑过程的永磁同步电 机控制方法。
[0011] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0012 ] -种面向注塑过程的永磁同步电机控制方法，包括：
[0013] S1、构建永磁同步电机在注塑过程中的速度环传递函数；
[0014] S2、构建永磁同步电机控制系统的ro控制器模型；
[0015] S3、根据给定的控制系统的性能指标，结合速度环传递函数，对ro控制器进行参数 整定后，获得ro控制器的控制输出；
[0016] S4、根据ro控制器的控制输出对永磁同步电机进行运动控制。
[0017]进一步，所述步骤S1，包括：
[0018] S11、构建永磁同步电机在注塑过程中的数学模型，所述数学模型的表达式为如下 的分数阶微分方程：
[0019]
[0020] 上式中，ω r表示永磁同步电机的转速，(/〇),.)表示永磁同步电机的转速的分数 阶微分值，iq表示永磁同步电机的定子电流，
Bm是摩擦系数，J是转动惯量， kPP表示永磁同步电机的控制器的比例系数；
[0021] S12、将构建的分数阶微分方程进行拉普拉斯变换后，获得永磁同步电机的速度环 传递函数如下：
[0022]
[0023] 上式中，P (S)表示n R (〇>,)的拉普拉斯变换，Wr (s)表示ω r的拉普拉斯变换，Iq(s) 表示iq的拉普拉斯变换，1^ = 8/13，1=1/^，8表示拉普拉斯算子，1'表示分数阶微分系数。
[0024] 进一步，所述步骤S2,其具体为：
[0025]根据下式构建永磁同步电机控制系统的ro控制器模型：
[0026] C(s) =kP( 1+kds)
[0027] 上式中，c(s)表示ro控制器的控制输出，1^表示比例增益，kd表示微分增益。
[0028] 进一步，所述步骤S3,包括：
[0029] S31、根据永磁同步电机的速度环传递函数和控制系统的ro控制器模型，获得控制 系统的开环传递函数如下：
[0030] G(s)=C(s)P(s)
[0031] 上式中，G(S)表示控制系统的开环传递函数；
[0032] S32、分别对速度环传递函数和PD控制器模型进行频域变换后获得对应的频率特 性，所获得的频率特性的表达式如下：
[0033]
[0034]上式中，Arg[C(j ω )]表示C( S)的相角特性，| C(j ω ) |表示C(S)的幅值特性，Arg[P (j ω )]表示P (S)的相角特性，I P (j ω ) I表示P (S)的幅值特性；
[0035] S33、根据下式计算获得控制系统的开环传递函数G(S)的频率特性：：
[0036]
[0037]其中，Arg[G(j ω )]表示G(S)的相角特性，| G(j ω ) |表示G(S)的幅值特性；
[0038] S34、根据给定的穿越频率、相角裕度和控制系统的开环增益鲁棒性指标获得G(S) 的频率特性需满足的如下条件后，计算获得ro控制器的控制输出kp和kd:
[0039]
[0040] 上式中，ω。表示给定的穿越频率，δ 表示给定的相角裕度，给定的控制系统的 开环增益鲁棒性指标为0。
[0041 ] 进一步，所述控制器的控制输出kP和kd是通过以下公式计算出来的：
[0042]
[0043]
[0044] 本发明的有益效果是:本发明的一种面向注塑过程的永磁同步电机控制方法，首 先构建永磁同步电机在注塑过程中的速度环传递函数，并构建永磁同步电机控制系统的ro 控制器模型后，根据给定的控制系统的性能指标，结合速度环传递函数，对ro控制器进行参 数整定后，获得ro控制器的控制输出，最后根据pd控制器的控制输出对永磁同步电机进行 运动控制。本控制方法可自动计算获得永磁同步电机的控制参数，不需要人工调节，而且可 使得永磁同步电机的响应信号快速跟随输入信号，系统跟随误差快速收敛，实时性较高，可 实现精确控制，从而大大提高注塑生成的注塑产品质量。
【附图说明】
[0045] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0046] 图1是本发明的一种面向注塑过程的永磁同步电机控制方法的流程图；
[0047] 图2是本发明的具体实施例中永磁同步电机的控制系统速度环的结构框图；
[0048] 图3是本发明的具体实施例中永磁同步电机的控制系统速度环的主程序流程图；
[0049] 图4是本发明的具体实施例中永磁同步电机的控制系统速度环的中断程序流程 图；
[0050] 图5是本发明的具体实施例中永磁同步电机的控制系统速度环采用本发明的控制 方法后的阶跃响应曲线图。
【具体实施方式】
[0051] 参照图1，本发明提供了一种面向注塑过程的永磁同步电机控制方法，包括：
[0052] S1、构建永磁同步电机在注塑过程中的速度环传递函数；
[0053] S2、构建永磁同步电机控制系统的ro控制器模型；
[0054] S3、根据给定的控制系统的性能指标，结合速度环传递函数，对ro控制器进行参数 整定后，获得ro控制器的控制输出；
[0055] S4、根据ro控制器的控制输出对永磁同步电机进行运动控制。
[0056] 进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1，包括：
[0057] S11、构建永磁同步电机在注塑过程中的数学模型，所述数学模型的表达式为如下 的分数阶微分方程：
[0058]
[0059] 上式中，ω r表示永磁同步电机的转速，flD,'(ω,)表示永磁同步电机的转速的分数 阶微分值，iq表示永磁同步电机的定子电流
Bm是摩擦系数，J是转动惯量， kPP表示永磁同步电机的控制器的比例系数；
[0060] S12、将构建的分数阶微分方程进行拉普拉斯变换后，获得永磁同步电机的速度环 传递函数如下：
[0061]
[0062]上式中，P(S)表示JO,.)的拉普拉斯变换，Wr(s)表示cor的拉普拉斯变换，I q(s) 表示iq的拉普拉斯变换，1^ = 8/13，1=1/^，8表示拉普拉斯算子，1'表示分数阶微分系数。
[0063]进一步作为优选的实施方式，所述步骤S2，其具体为：
[0064]根据下式构建永磁同步电机控制系统的ro控制器模型：
[0065] C(s) =kP( 1+kds)
[0066] 上式中，C(S)表示ro控制器的控制输出，1^表示比例增益，kd表示微分增益。
[0067] 进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3,包括：
[0068] S31、根据永磁同步电机的速度环传递函数和控制系统的ro控制器模型，获得控制 系统的开环传递函数如下：
[0069] G(s)=C(s)P(s)
[0070] 上式中，G(S)表示控制系统的开环传递函数；
[0071] S32、分别对速度环传递函数和PD控制器模型进行频域变换后获得对应的频率特 性，所获得的频率特性的表达式如下：
[0072]
[0073]上式中，Arg[C(jco)]表示C(S)的相角特性，|C(jco)|表示C(S)的幅值特性，Arg[P (j ω )]表示P (S)的相角特性，| P (j ω ) |表示P (S)的幅值特性；
[0074] S33、根据下式计算获得控制系统的开环传递函数G(S)的频率特性：：
[0075]
[0076] 其中，Arg[G(j ω )]表示G(S)的相角特性，| G(j ω ) |表示G(S)的幅值特性；
[0077] S34、根据给定的穿越频率、相角裕度和控制系统的开环增益鲁棒性指标获得G(S) 的频率特性需满足的如下条件后，计算获得ro控制器的控制输出kp和kd:
[0078]
[0079] 上式中，ω。表示给定的穿越频率，δ 表示给定的相角裕度，给定的控制系统的 开环增益鲁棒性指标为0。
[0080] 进一步作为优选的实施方式，所述ro控制器的控制输出kdPkd是通过以下公式计 算出来的：
[0081]
[0082]其中，
[0083]以下结合具体实施例对本发明做详细说明。
[0084] 实施例一
[0085] (一）永磁同步电机樽型的数学模型如下：
[0086] (3)
[0087] 其中，下标d、q表示d，q坐标，ιΛι，u\是d，q坐标下的定子电压，i*d，i *q是定子电流， 入(1入是定子磁链，Ld，Lq为电感分量，c〇f、(〇\分别是电机电角度和给定转速，Lmd是定子相电 感，Idf是等效电流，nP是定子磁极对数，Rs是定子电阻。
[0088] 与公式(3)相对应的电磁转矩方程为：
[0089]
(4)<