CN110535391B - 伺服电机角度误差的补偿方法、***及装置 - Google Patents

伺服电机角度误差的补偿方法、***及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了伺服电机角度误差的补偿方法、***及装置；方法包括：计算伺服电机在开环运行状态下q轴的电流值；根据伺服电机q轴的电流值，计算伺服电机的运行电角速度；根据伺服电机的运行电角速度，计算伺服电机的角度误差补偿值；***包括电流值计算模块、电角速度计算模块和补偿值计算模块；装置包括存储器和处理器。本发明的角度补偿不需要人为干预，易于实现且人工成本低，避免了人工修正的误差，进而提高了角度检测的精度；另外，本发明不需要通过外部运动机构带动电机运行至一定速度，仅需计算伺服在开环运行状态下q轴的电流值，可广泛应用于伺服电机控制技术领域。

Description

伺服电机角度误差的补偿方法、***及装置
技术领域
本发明涉及伺服电机控制技术领域，尤其是伺服电机角度误差的补偿方法、***及装置。
背景技术
伺服电机(永磁同步电动机)广泛应用于新能源汽车、机器人和数控机床。相对于其他电动机，伺服电机最大的优势在于：伺服电机带有检测角度的传感器，能为实际工程应用实现高精度的闭环控制提供所需要的反馈值。但由于传感器造成的误差：如制造误差、安装误差等，致使电机不能获得较高的控制精度。
为了解决类似上述由于传感器误差造成的精度问题，申请号为201280062593.3，授权公告号为CN 104011992B，名为“电动机控制装置、电动机控制方法”的中国发明专利针对无刷电机的角度分解器误差问题，提出了一种从电流指令值生成电压指令值，并利用在电动机流动的检测电流来进行反馈控制的电动机控制方法及装置。
上述专利文献(申请号为201280062593.3)公开的角度分解器修正方案存在以下的不足：
1)公开的技术需要用到电流比例-积分控制器，要求使得d轴和q轴的电流分别为零。但电流的检测存在噪声，以及控制器的参数调节对操作人员的要求较高，因此，在实际工程应用不容易实现；
2)该方案的角度分解器的修正过程，需要外部运动机构(如电动机或发电机)带动电机运行到一定转速，不能独立运行修正，实用性不高；
3)该方案的分解器误差修正过程，需要人工通过调整部(如电位器)调整角度误差，并通过显示器观察相应电流积分值是否为零，调整的精度依赖于人工经验，精度不高并且修正过程繁琐；
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种实用性高、易于实现且人工成本低的伺服电机角度误差的补偿方法、***及装置，以提高角度误差调整的精度。
本发明所采取的第一技术方案是：
伺服电机角度误差的补偿方法，包括以下步骤：
计算伺服电机在开环运行状态下q轴的电流值；
根据伺服电机q轴的电流值，计算伺服电机的运行电角速度；
根据伺服电机的运行电角速度，计算伺服电机的角度误差补偿值。
进一步，所述计算伺服电机在开环运行状态下q轴的电流值这一步骤，包括以下步骤：
根据伺服电机的等效方程，获取伺服电机的开环运行方程；其中，所述伺服电机的等效方程为：
Figure BDA0001671568370000021
Figure BDA0001671568370000022
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；Rs代表定子电阻；id表示定子电流在d轴的分量；
Figure BDA0001671568370000023
代表微分算子；ψd表示定子磁链在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψq表示定子磁链在q轴的分量；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量；
根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机q轴的电流值；其中，所述伺服电机的开环运行方程为：
Figure BDA0001671568370000024
Figure BDA0001671568370000025
其中，Lq代表q轴电感；Ld代表d轴电感；ψf代表转子磁通。
进一步，所述根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机q轴的电流值这一步骤，包括以下步骤：
根据伺服电机的开环运行方程，控制电机开机启动；
通过霍尔传感器检测伺服电机的三相电流；
根据伺服电机的三相电流，计算伺服电机q轴的电流值。
进一步，所述根据伺服电机的开环运行方程，控制电机开机启动这一步骤，包括以下步骤：
将伺服电机d轴的电压设定值转换为α轴的电压设定值，并将伺服电机q轴的电压设定值转换为β轴的电压设定值；
将α轴的电压设定值和β轴的电压设定值转化成相应的脉冲宽度；
根据转化得到的脉冲宽度，控制逆变器驱动伺服电机运行。
进一步，所述根据伺服电机q轴的电流值，计算伺服电机的运行电角速度这一步骤中，所述运行电角速度的计算公式为：
Figure BDA0001671568370000031
其中，ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψf代表转子磁通；ψq表示定子磁链在q轴的分量；Rs代表定子电阻；Ld代表d轴电感；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量。
进一步，所述根据伺服电机的运行电角速度，计算伺服电机的角度误差补偿值这一步骤，包括以下步骤：
通过角速度传感器采集伺服电机的实际角速度值；
根据伺服电机的实际角速度值和运行电角速度，计算伺服电机的角速度误差；
根据伺服电机的角速度误差，计算伺服电机的角度误差；
根据伺服电机的角度误差，进行误差补偿。
本发明所采取的第二技术方案是：
伺服电机角度误差的补偿***，包括：
电流值计算模块，用于计算伺服电机在开环运行状态下q轴的电流值；
电角速度计算模块，用于根据伺服电机q轴的电流值，计算伺服电机的运行电角速度；
补偿值计算模块，用于根据伺服电机的运行电角速度，计算伺服电机的角度误差补偿值。
进一步，所述电流值计算模块包括：
开环运行方程获取单元，用于根据伺服电机的等效方程，获取伺服电机的开环运行方程；
电流值计算单元，用于根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机q轴的电流值。
进一步，所述补偿值计算模块包括：
实际角速度值计算单元，用于通过角速度传感器采集伺服电机的实际角速度值；
角速度误差计算单元，用于根据伺服电机的实际角速度值和运行电角速度，计算伺服电机的角速度误差；
角度误差计算单元，用于根据伺服电机的角速度误差，计算伺服电机的角度误差；
误差补偿单元，用于根据伺服电机的角度误差，进行误差补偿。
本发明所采取的第三技术方案是：
伺服电机角度误差的补偿装置，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载程序，以执行如第一技术方案所述的伺服电机角度误差的补偿方法。
本发明的有益效果是：本发明通过计算伺服电机在开环运行状态下q轴的电流值和伺服电机的运行电角速度，最终得到伺服电机的角度误差补偿值；本发明能够在伺服电机开环运行状态下实时进行角度补偿，不需要人为干预，易于实现且人工成本低，同时避免了人工修正的误差，进而提高了角度检测的精度；另外，本发明不需要通过外部运动机构带动电机运行至一定速度，仅需计算伺服在开环运行状态下q轴的电流值，实用性高。
附图说明
图1为本发明伺服电机角度误差的补偿方法的整体步骤流程图；
图2为本发明实施例中伺服电机角度误差补偿***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明伺服电机角度误差的补偿方法，包括以下步骤：
计算伺服电机在开环运行状态下q轴的电流值；
根据伺服电机q轴的电流值，计算伺服电机的运行电角速度；
根据伺服电机的运行电角速度，计算伺服电机的角度误差补偿值。
进一步作为优选的实施方式，所述计算伺服电机在开环运行状态下q轴的电流值这一步骤，包括以下步骤：
根据伺服电机的等效方程，获取伺服电机的开环运行方程；其中，所述伺服电机的等效方程为：
Figure BDA0001671568370000051
Figure BDA0001671568370000052
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；Rs代表定子电阻；id表示定子电流在d轴的分量；
Figure BDA0001671568370000053
代表微分算子；ψd表示定子磁链在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψq表示定子磁链在q轴的分量；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量；
根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机q轴的电流值；其中，所述伺服电机的开环运行方程为：
Figure BDA0001671568370000054
Figure BDA0001671568370000055
其中，Lq代表q轴电感；Ld代表d轴电感；ψf代表转子磁通。
进一步作为优选的实施方式，所述根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机q轴的电流值这一步骤，包括以下步骤：
根据伺服电机的开环运行方程，控制电机开机启动；
通过霍尔传感器检测伺服电机的三相电流；
根据伺服电机的三相电流，计算伺服电机q轴的电流值。
进一步作为优选的实施方式，所述根据伺服电机的开环运行方程，控制电机开机启动这一步骤，包括以下步骤：
将伺服电机d轴的电压设定值转换为α轴的电压设定值，并将伺服电机q轴的电压设定值转换为β轴的电压设定值；
将α轴的电压设定值和β轴的电压设定值转化成相应的脉冲宽度；
根据转化得到的脉冲宽度，控制逆变器驱动伺服电机运行。
进一步作为优选的实施方式，所述根据伺服电机q轴的电流值，计算伺服电机的运行电角速度这一步骤中，所述运行电角速度的计算公式为：
Figure BDA0001671568370000061
其中，ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψf代表转子磁通；ψq表示定子磁链在q轴的分量；Rs代表定子电阻；Ld代表d轴电感；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量。
进一步作为优选的实施方式，所述根据伺服电机的运行电角速度，计算伺服电机的角度误差补偿值这一步骤，包括以下步骤：
通过角速度传感器采集伺服电机的实际角速度值；
根据伺服电机的实际角速度值和运行电角速度，计算伺服电机的角速度误差；
根据伺服电机的角速度误差，计算伺服电机的角度误差；
根据伺服电机的角度误差，进行误差补偿。
与图1的方法相对应，本发明伺服电机角度误差的补偿***，包括：
电流值计算模块，用于计算伺服电机在开环运行状态下q轴的电流值；
电角速度计算模块，用于根据伺服电机q轴的电流值，计算伺服电机的运行电角速度；
补偿值计算模块，用于根据伺服电机的运行电角速度，计算伺服电机的角度误差补偿值。
进一步作为优选的实施方式，所述电流值计算模块包括：
开环运行方程获取单元，用于根据伺服电机的等效方程，获取伺服电机的开环运行方程；
电流值计算单元，用于根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机q轴的电流值。
进一步作为优选的实施方式，所述补偿值计算模块包括：
实际角速度值计算单元，用于通过角速度传感器采集伺服电机的实际角速度值；
角速度误差计算单元，用于根据伺服电机的实际角速度值和运行电角速度，计算伺服电机的角速度误差；
角度误差计算单元，用于根据伺服电机的角速度误差，计算伺服电机的角度误差；
误差补偿单元，用于根据伺服电机的角度误差，进行误差补偿。
与图1的方法相对应，本发明伺服电机角度误差的补偿装置，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载程序，以执行本发明的伺服电机角度误差的补偿方法。
下面以图2所示的角度误差补偿***为例，详细介绍本发明伺服电机角度误差的补偿方法的具体实施步骤：
S1、根据伺服电机的等效方程，获取伺服电机的开环运行方程；
其中，步骤S1中伺服电机的等效方程如下：
Figure BDA0001671568370000071
Figure BDA0001671568370000072
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；Rs代表定子电阻；id表示定子电流在d轴的分量；
Figure BDA0001671568370000073
代表微分算子；ψd表示定子磁链在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψq表示定子磁链在q轴的分量；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量；
本实施例中，令等效方程中的ud＝0，
Figure BDA0001671568370000074
以及
Figure BDA0001671568370000075
得到：
0＝Rsid-ωeψq
uq＝Rsiq+ωeψd，
其中，ψq＝iqLq；ψq＝idLd+ψf；Ld代表d轴电感；Lq代表q轴电感；ψf代表转子磁通；
最终整理得到伺服电机的开环运行方程：
Figure BDA0001671568370000076
Figure BDA0001671568370000081
S2、根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机q轴的电流值；
其中，步骤S2具体包括以下步骤：
S21、根据伺服电机的开环运行方程，控制电机开机启动；步骤S21具体包括以下步骤；
S211、将伺服电机d轴的电压设定值转换为α轴的电压设定值，并将伺服电机q轴的电压设定值转换为β轴的电压设定值；
S212、将α轴的电压设定值和β轴的电压设定值转化成相应的脉冲宽度；
S213、根据转化得到的脉冲宽度，控制逆变器驱动伺服电机运行。
比如：通过控制开环运行方程中的uq处于0～10V的范围内，就能控制伺服电机开始启动。
S22、通过霍尔传感器检测伺服电机的三相电流；
S23、根据伺服电机的三相电流，计算伺服电机q轴的电流值。
本实施例采用矩阵计算法得到伺服电机q轴的电流值，其中，所述矩阵计算法为：
Figure BDA0001671568370000082
Figure BDA0001671568370000083
其中，iA、iB和iC代表伺服电机的三相电流；通过上述两个矩阵方程计算可得到伺服电机q轴的电流值iq。
S3、根据伺服电机q轴的电流值，计算伺服电机的运行电角速度；所述运行电角速度的计算公式为：
Figure BDA0001671568370000091
其中，ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψf代表转子磁通；ψq表示定子磁链在q轴的分量；Rs代表定子电阻；Ld代表d轴电感；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量。
S4、根据伺服电机的运行电角速度，计算伺服电机的角度误差补偿值。
其中，步骤S4具体包括以下步骤：
S41、通过角速度传感器采集伺服电机的实际角速度值；
S42、根据伺服电机的实际角速度值和运行电角速度，计算伺服电机的角速度误差；所述伺服电机的角速度误差的计算公式为：
Figure BDA0001671568370000092
其中，e(ω)代表角速度误差；ωr表示角速度传感器采集到的伺服电机的实际角速度值；ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψf代表转子磁通；Rs代表定子电阻；Ld代表d轴电感；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量。
S43、根据伺服电机的角速度误差，计算伺服电机的角度误差；所述角度误差的计算公式为：Δθ＝e(ω)T，其中，Δθ表示角度误差；e(ω)代表角速度误差；T是伺服电机的采样时间。
S44、根据伺服电机的角度误差，进行误差补偿。步骤S44具体为：通过角度传感器采集伺服电机的实际转动角度θ1，然后根据实际转动角度和结算得到的角度误差，计算出伺服电机的理想转动角度θ，其计算公式为：θ＝θ1+Δθ，最后将理想转动角度发送到相应控制模块，进行误差补偿。
综上所述，本发明伺服电机角度误差的补偿方法、***及装置具有以下优点：
1)、本发明能够在伺服电机开环运行状态下实时进行角度补偿，不需要人为干预，易于实现且人工成本低，同时还提高了角度检测的精度；
2)、对每个采用周期都进行实时角度补偿，能实现电机运行动态误差补偿，获得精准的运行角度检测及控制；
3)、本发明不需要通过外部运动机构带动电机运行至一定速度，仅需根据开环运行方程就能计算伺服电机q轴的电流值，实用性高。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.伺服电机角度误差的补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：
计算伺服电机在开环运行状态下q轴的电流值；
根据伺服电机q轴的电流值，计算伺服电机的运行电角速度；
根据伺服电机的运行电角速度，计算伺服电机的角度误差补偿值；
所述根据伺服电机的运行电角速度，计算伺服电机的角度误差补偿值这一步骤，包括以下步骤：
通过角速度传感器采集伺服电机的实际角速度值；
根据伺服电机的实际角速度值和运行电角速度，计算伺服电机的角速度误差；
根据伺服电机的角速度误差，计算伺服电机的角度误差；
根据伺服电机的角度误差，进行误差补偿；
根据伺服电机q轴的电流值，计算伺服电机的运行电角速度这一步骤中，所述运行电角速度的计算公式为：
Figure FDA0002920795880000011
其中，ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψf代表转子磁通；ψq表示定子磁链在q轴的分量；Rs代表定子电阻；Ld代表d轴电感；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量。
2.根据权利要求1所述的伺服电机角度误差的补偿方法，其特征在于：所述计算伺服电机在开环运行状态下q轴的电流值这一步骤，包括以下步骤：
根据伺服电机的等效方程，获取伺服电机的开环运行方程；其中，所述伺服电机的等效方程为：
Figure FDA0002920795880000012
Figure FDA0002920795880000013
其中，ud表示定子电压在d轴的分量；Rs代表定子电阻；id表示定子电流在d轴的分量；
Figure FDA0002920795880000021
代表微分算子；ψd表示定子磁链在d轴的分量；ωe表示伺服电机的运行电角速度；ψq表示定子磁链在q轴的分量；iq表示定子电流在q轴的分量；uq表示定子电压在q轴的分量；
根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机q轴的电流值；其中，所述伺服电机的开环运行方程为：
Figure FDA0002920795880000022
Figure FDA0002920795880000023
其中，Lq代表q轴电感；Ld代表d轴电感；ψf代表转子磁通。
3.根据权利要求2所述的伺服电机角度误差的补偿方法，其特征在于：所述根据伺服电机的开环运行方程，计算伺服电机q轴的电流值这一步骤，包括以下步骤：
根据伺服电机的开环运行方程，控制电机开机启动；
通过霍尔传感器检测伺服电机的三相电流；
根据伺服电机的三相电流，计算伺服电机q轴的电流值。
4.根据权利要求3所述的伺服电机角度误差的补偿方法，其特征在于：所述根据伺服电机的开环运行方程，控制电机开机启动这一步骤，包括以下步骤：
将伺服电机d轴的电压设定值转换为α轴的电压设定值，并将伺服电机q轴的电压设定值转换为β轴的电压设定值；
将α轴的电压设定值和β轴的电压设定值转化成相应的脉冲宽度；
根据转化得到的脉冲宽度，控制逆变器驱动伺服电机运行。
5.伺服电机角度误差的补偿装置，其特征在于：包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载程序，以执行如权利要求1-4任一项所述的伺服电机角度误差的补偿方法。
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