基于前馈控制的交流伺服系统高速定位控制

2→3
PWM
图 4 前馈控制示意图
Iu Iv 2←3 Iw
按输入前馈控制的系统示意图如图 3~7 所示。 如图 3 所示， G （s ） —反馈系统的开环传递函数； F （s ） —前馈控制器的传 图中： 递函数。
Coder
图 2 三闭环伺服控制框图
4.2 前馈控制结构设计及仿真
为实现交流伺服系统的高速定位控制，获得对控制指令的快 速相应和跟踪， 在速度环和电流环稳定运行的前提下， 引入了速度 指令和电流指令的前馈控制， 系统控制框图， 如图 4 所示。 从上一节 所设计的交流伺服三闭环控制系统可知， 位置环采用比例 （P ） 调节， 速度环和电流环采用比例积分 （PI ） 调节， 在此基础上对电流环和速 其中， α 和 β 分别是电流 度环分别加入前馈控制器 FFαJs2 和 FFβs。 前馈系数和速度前馈系数。 在实际控制过程中通过调节 α、 β 这两个 系数， 从而改变前馈量。通过前馈控制器将预先算好的指令直接给 电流环和速度环， 从而大大提高指令跟踪效果。 在 MATLAB 环境下， 设置控制参数分别对普通 PID 控制系 统和引入前馈控制的 PID 控制系统进行正弦信号的跟踪仿真， 结 果如图 6 所示。从图中可以看出， 引入前馈控制的 PID 控制系统 信号跟踪效果明显优于普通 PID 控制系统的信号跟踪。
2] 求。因此， 高速定位系统的研究成为热点[1， 。
高速、 快响应的交流伺服系统一般需要有高性能的电流 （力 矩 ） 控制内环和转速、 位置控制外环， 这就需要控制系统具有高精 度的电流反馈和快响应、 高分辨率的位置检测反馈装置， 这不仅增 为提高系 大了系统的复杂程度， 也增加了系统的生产和维护成本。 统响应，目前通常采取的方法是在反馈中使用低通滤波器对反馈 信号进行滤波处理。 这种方法可以有效抑制传感器噪声， 同时不会 放大系统中的噪声。 但低通滤波会带来反馈信号的相位滞后， 这将 直接影响系统的响应速度， 对扰动不能及时抑制， 当滞后严重时甚 至会引起系统发散[3~5]。 将设计出由电流环、 速度环和位置环控制构 成的三闭环交流伺服控制系统，在此基础上引入前馈控制来提高 系统的响应速度和跟踪特性， 实现交流伺服系统的高速定位控制。
i 3 2 1 2
与电流矢量的变换同理，可得到将三个定子电压在 d-q 轴 ud Rs 0 i d △ -ω φ d 坐标系的方程： = + （4 ） uq 0 Rs i q ω △ φq 由于上述交流永磁同步伺服电机的控制模型是在转子无阻
ω ωω ω ωωω ω ωω △
（9 ）
0
尼绕组的情况下建立， 因此可推导出定子磁链在 d-q 轴坐标系的 φd=Ldid+φf 各个磁链方程： （5 ） φq=Lqiq φq—等效 d、 q 轴磁链； Ld、 Lq— 等效 d、 q 轴定子绕组自 式中 φd 、 感； id、 iq— 等效 d、 q 轴绕组电流； φf—由转子永磁体决定的 磁链， 故认为 φf=Const。 ud=RSid+id did -ωLqiq dt 根据式 （4 ） ， 结合 （5 ） 式， 可得： （6 ） uq=RSid+Lq did +ωLqiq+ωφf dt Ld、 Lq、 RS、 φf 应由选用的交流永磁同步伺服电机给出，是该
第4期 2011 年 4 月
文章编号： 1001-3997 （2011 ） 04-0179-03
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
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基于前馈控制的交流伺服系统高速定位控制
郝双晖 郑伟峰 蔡 一 郝明晖 宋 芳 ） （哈尔滨工业大学 机电学院， 哈尔滨 150001
＊来稿日期： 2010-06-08
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同理， 对于定子磁链和定子电压， 转换成 d-q 轴坐标系下的 分量均有上述等式的关系。
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郝双晖等： 基于前馈控制的交流伺服系统高速定位控制
第4期
uA Rs 0 0 i A φA 电机的动态电压方程式：uB = 0 Rs 0 iB +△ φB （3 ） 0 0 Rs i C uC φC 式中： uA、 uB、 uC—A、 B、 C 三相的定子电压； φA、 φB、 φC—A、 B、 C 三相
（a ） （b ） 图 1 永磁同步电机模型
设 Fm 为三相绕组电流感应产生的旋转磁动势， 旋转角速度 同样可以 为 ω。把两个匝数相同的绕组分别加在 d 轴和 q 轴上， 产生旋转磁动势 Fm。由此， 可以把定子的三相电流变换成 d-q 轴 坐标系下的电流矢量。 设 iA、 iB、 iC 为定子三相电流， i0 为零线电流， uO 为零线电压。 对于三相对称系统有 i0=0。 对于三相四线系统， 由 也可以将互相差 120°的 （a、 b、 c ） 坐标系变换成三维 于 iA+iB+iC≠0， 空间的正交坐标系， 即用 （d、 q、 0 ） 坐标系表示。 定子绕组的电流空间矢量： is= 2 (iAej0+iBej120+iCe-j120) （1 ） 3 则经过 3→2 矢量变换得到 d 轴电流分量 id 和 q 轴电流分 量 iq， 转换公式为： → → → cosθ cos(θ- 2π ) cos(θ+ 2π ) → → iA 3 id = 2 → 3 → → （2 ） → iB → iq 3 → → → -sinθ -sin(θ- 2π ) -sin(θ+ 2π ) → → i → 3 → 3 → C
电流环首先通过电流传感器对电机定子三相 U、 V、 W 电流 进行采样， 将采样值进行漏电消除处理。 然后， 把三相定子电流通 过 3→2 矢量变换， 变换成 d-q 坐标系 d 轴和 q 轴电流分量， 得到 反馈电流 Id-fb 和 Iq-fb。 q 轴反馈电流 Iq-fb 与输入电流 Iq-ref 作差分， 经 ） 调节后进行 2→3 矢量变换， 输出 PWM 电压控制 过比例积分 （PI 信号， 最后经过智能功率模块 （IPM ） 驱动电机旋转。速度环是由 指令信号和反馈信号组成跟踪环节， 将编码器传送过来的位置信 号经过微分之后得到速度反馈信号 Vfb，与速度环的输入指令作 差分， 再进行比例积分 （PI ） 调节得到电流环的输入信号， 即q轴 的输入电流 Iq-ref 。位置环是将编码器传送过来的位置信号 Pfb 与 位置输入指令 Pref 作差分，乘以增益 Kp 得到速度环的输入信号， 位置环采用的是比例 （P ） 调节。 由于本系统中采用 d 轴电流 id = 0 的控制，所以根据如图 2
2 交流伺服电机矢量控制模型
为设计交流伺服控制系统，首先建立交流伺服电机也就是 永磁同步电机的控制模型。如图 1 所示，选定转子的 N 级方向 （转子磁链的方向 ） 为 d 轴方向； q 轴方向确定为领先 d 轴 90°的 方向， 由此建立两相 d-q 轴坐标系， 如图 1 所示。 θ 为 d 轴与 A 相
→ → → → → → → → →
R(t) +
Kp

+s
PI
+ -
PI
图 3 系统 PID 控制原理框图
uU uV uW
→ → → → → → → → →
cosθ -sinθ ud = 2 cos （θ-2π/3 ） -sin （θ-2π/3 ） 3 u cos （θ+2π/3 ） -sin （θ+2π/3 ） q
△—微分算子： △=d/dt。 的定子磁链； Rs—定子相电阻；
ω ωω ωωω ω ω
所示的交流伺服三闭环控制系统示意图， 在只考虑电机 q 轴控制 的条件下，把电机电枢回路的电阻 R 和电感 L 看成一阶惯性环 节， 就可以得出如图3 所示的系统控制框图。 其中， PI 调节器可以 Ti +1 ← u （t ）= Kp ← （8 ） 表示为： e （t ） Ti s 则可推出系统传递函数为： KI Kv +Ki KV ← s+K0 Y （s ） Kp Kt Ki Kv s +Kp Kt ← 4 3 2 R （s ） JLs5 + ← JR+K J ← s +K s +K s +K s+K
绕组中心线之间的电角度。
A Fm q θ d iq iA θ 0 B C iB iC ω id
1 引言
随着 IC （Integrated Circuit ） 制造中芯片光刻与封装 、 MEMS （Micro Electro Mechanical System ） 制造中器件封装与组装 、 生物 医学工程中高速点样移液、 高速精密加工及高速扫描检测等领域 速度和加速度提出了极高的要 的迅速发展， 对定位系统的行程、
Research on high-speed positioning of AC servo system based on feedforward control
HAO Shuang-hui， ZHENG Wei-feng， CAI Yi， HAO Ming-hui， SONG Fang （Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China ） 【摘 要】在要求高速、 快响应的交流伺服定位系统中， 采用传统 PID 控制很难实现高速定位。为 速度环和电流环的三闭环 PID 伺服控制系统的基础上， 引入电流环 解决此问题， 在设计出包括位置环、 和速度环的前馈控制来提高定位控制的性能。通过仿真验证了前馈控制在指令信号跟踪方面的良好效 果， 然后设计出实验系统， 进行了与普通 PID 伺服控制系统的对比实验。 结果表明， 引入前馈控制的 PID 伺服控制系统可以实现交流伺服系统的高速定位控制。 关键词： 前馈控制； 高速定位； 交流伺服； PID 控制 【Abstract】Using traditional PID control strategy is hard to achieve high-speed positioning in ac servo system.To solve the problem， it introduces the current feedforward and speed feedforward into the PID con－ trol servo system including position/speed and current loop.The simulation validates the perfect effect of feedforward control in instruction signal tracking, and a comparing experiment is carried out between the experiment system and common PID servo control system.The experiment results indicate the PID servo control system including feedforward can achieve high-speed positioning. Key words： Feedforward control； High-speed positioning； AC servo； PID control 中图分类号： TH16 文献标识码： A