永磁同步电机电流波动分析与补偿.pdf

电气传动2 0 1 3年 第 4 3卷 第 3期 E I J E C T R I C D R I V E 2 0 1 3 V o 1 4 3 N o 3 永磁 同步电机电流波动分析与补偿 吕娴娜 付峪 刘银年 1 中 国科 学 院 上海技 术 物理研 究所 上 海 2 0 0 0 8 3 2 中 国科 学 院 红外探 测 与成 像技 术 重点 实验 室 上 海 2 0 0 0 8 3 摘要 由于高精度运动控制 的需要 永磁同步电机 P MS M 电流测量误差引起的电流波动需要抑 制 分析 并仿真 了相 电流测量增益误差和测量偏置误 差引起的 电流波动特性 研 究结果表明此电流波 动主要在 和 频率下 比较 了一些电流波动抑制的方法 接着提 出了一种基 于电气角周期积分 的在线实时 电流误差补偿 方法 并在基于 D S P的扫描反射镜控制平 台上 实现 实验结 果证 明此方法对 电流测量误差 引起 的波动具有 良 好 的抑制作用 电流波动不超过 1 m A 关键词 永磁同步电机 测量增益误差 测量偏 置误 差 误差补偿 电流波动抑制 中图分 类号 T M3 4 1 文献标识码 A An a l y s i s a n d Co mp e n s a t i o n o f Cu r r e n t Ri p p l e o f PMS M L 0 Xi a n n a I F U yu 1 L I U Yi n n i a n l 1 S h a n g h a i I n s t i t u t e o fT e c h n i c a l P h y s i c s C h i n e s e Ac a d e m y ofS c i e n c e s S h ang h ai 2 0 0 0 8 3 C h i n a 2 K e y L a b o r a t o r yo f I n f r a r e d S y s t e mD e t e c t i o na n dI m a g i n gT e c h n i q u e C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s S h ang h ai 2 0 0 0 8 3 C h i n a Ab s t r a c t D u e t o t h e n e e d s O p r e c i s i o n mo t i o n c o n t r o l 0 f P MS M c u r r e n t ri p p l e c a u s e d b y me a s u r e me n t e r r o r n e e d t o b e c o n s i d e r e d T h e e f f e c t s o f c u rre n t me a s u r e me n t e rro r w e r e a n a l y z e d a n d s i mu l a t e d b y ma t l a b T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e e l e c t ri c al f lr e q u e n c y a n d t w i c e t h e e q u e n c y 2 f ri p p l e i s d o mi n a t e i n t h e c u r r e n t r i p p l e c a u s e d b y me a s u r e me n t e r r o r A b ri e f r e v i e w o f s o me a p p r o a c h e s t h a t h a v e b e e n p r o p o s e d f o r c u r r e n t ri p p l e mi n i mi z a t i o n wa s p r o v i d e d a n d t h e n p r o p o s e d a s i mp l e c o mp e n s a t i o n me t h o d t o r e d u c e t h e c u rre n t ri p p l e c a u s e d b y c u rre n t me a s u r e me n t e r r o r E x p e ri me n t wa s c a r r i e d o u t i n a DS P b a s e d P MS M d ri v e s y s t e m a n d the r e s u l t p rov e s t h a t t h e c o mp e n s a t i o n m e t h o d i s e ff e c t i v e c u rr e n t ri p p l e a t f r e q u e n c y f a n d 2 f i s w e l l d e p r e s s e d Ke y w o r d s p e r m a n e n t ma g n e t s y n c h r o n o u s mo t o r P MS M me a s u r e me n t g a i n e rr o r m e a s u r e m e n t o f f s e t e r r o r e rro r c o mp e n s a t i o n c u r r e n t rip p l e r e d u c t i o n 1 引言 时电流误差补偿方法 最后通过实验验证 由于永磁 同步电机 P MS M 能 实现高精度 高动态性能的调速或定位系统 其广泛应用于高 性能伺服系统 本扫描反射镜控制系统属于低速 高精度运动 系统 采用多环路级联控制 其 中电 流环是决定系统静态和动态性 能的关键 l J 电流 测量误差会降低电流环的性能 引起 的电流波动 会产生速度波动 造成系统 的不稳定 所 以电流 测量误差产生的电流波动需要抑制 本 文第 2节对 电流测量误差 及其产生 的电 流波动进行 了分析仿真 第 3节对电流波动抑制 方法进行了讨论 并提 出一种简单有效 的在线实 1 4 2 电流测量误差分析 2 1基 于矢量 控 制的 电流环 本系统采用矢量控制方法 此控制方法 的基 础是对三相 电流的精确反馈 2 1 基 于矢量控制 的 电流环框 图如图 l 所示 2 2电流 测量 电路 电流测量一般有霍耳传感器测量 和小电阻测 量 两种测量方式都存在不同程度的测量误差 本系统中采用的是两相小电阻测量 相电流测 量电路框图见图2 从电流传感器 差分运放 低通 滤波到 A D转换 每个环节都会引入误差 电流测量 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 2 0 0 8 A A1 2 1 1 0 1 作者简介 吕娴娜 1 9 8 5 一 女 博士研究生 E ma i h l v l v 3 5 3 9 y a h o o c o a 1 a n 吕娴娜 等 永磁 同步 电机 电流波动分析与补偿 电气传 动2 0 1 3年 第 4 3卷第 3 期 误差大致可以分为增益误差和偏置误差 角度位置编码器 执行电机 图 1 基于矢量控制的电流环框图 F i g 1 Cu r r e n t l o o p b l ock d i a g r a m b a s e d o r l v e c t o r c o n t r o l 图 2 相 电流测量 电路框图 F i g 2 Ph ase c u r r e n t me asu r e c i r c u i t b l o c k d i a g r a m 2 3电流 增 益误 差 电流 增 益 误 差 主 要 是 运 放 的增 益 误 差 g a i n e r r o r 和 AD 的满 量 程 误 差 f u l l s e a l i n g e rr o r 导 致相电流测量时 A 两路的增益不一致 电流测 量值如下式所示 l A 厶一 A 也 1 l e 一 一 l b 式 中 厶 一为相 电流测量值 A A b 分别为 A 相电流的增益 厶 为实际电流值 C l a r k P a r k变换得到的 砌 轴电流为 L c o s 坠 s i n 3 2 一 bi n d e c o s 3 从 而得 出由三 相 P MS M 电流增益误差引起 的 电 流波动如下式 L l c o s e 盟 i n 3 3 L Jf 一 s in 8 d 槐 0 n 3 取 A 0 9 9 A6 1 0 l 即电流增益误差 为 1 用 Ma t l a b仿 真出的 和 j 口 如图 3所示 0 0 1 5 0 0 l 寻 0 0 l 0 0 l 5 图 3 电流测量增益误差引起的 由 轴 电流波动 F i g 3 S i m u l a t i o n o f 由 a x i s c u r r e n t r i p p l e c a u s e d b y c u r r e n tme a s u r e me n t g a i n e r l x r 由图3 可见 电机电流测量增益误差所造成 的 电流波动频率为 电机的电气角频率 的 2 倍 2 4电流 偏置 误差 电流偏置误差主要是运放及 A D转换器的偏 置 电 压 o ff s e t v o l t a g e 和零 位 误 差 b i p o l ar z e r o e r r o r 电流测量值如下式所示 l E l I 幽 a m 4 I c 一 I 一 l b 式 中 帅 分别为 A 相电流偏置误差 由式 2 和式 4 可以得 出 由三相 P MS M 电 流偏置误差引起的电流波动如下式 I l 酗 O S e i n 0 妇 3 f 5 厶 i n 丁 取 1 0 mV 用 Ma t l a b仿真出的 和 厶如图 4所示 0 O 2 O 0 1 司0 一0 01 电气传动2 0 1 3年 第 4 3卷 第 3期 吕娴娜 等 永磁 同步 电机 电流波动分析与补偿 在情况下 S i mu l i n k电流环仿真的结果 鼍 00 24 1 0 9 8 O 9 6 1 o o o5 i o 9 9 9 51 0 0 9 9 9 0 9 9 8 5 图 5 g轴 实际电流和 测量电流仿真 曲线 F i g 5 S i mu l a t i o n c ur v e s o f a x i s q a c t u a l a n d me a s u r e c u r r e n t 由图 5可见 电机 电流 增益 误 差 和 零 点误 差 所 引起 的电流波动主要是 电机 电气角频率 的一 次谐波和二次谐波的叠加 在实际电流波动幅度 比测量值的波动要大 且测量值误差在不 断累 积 在 P I D控制 器没 有 饱和 的情 况下 呈 不收 敛 3 反馈电流补偿算法 3 1 电流 波动 抑 制方 法概 述 由上节 所 述 反 馈 电 流测 量 误差 引起 的 电流 波动对于低速高精度的运动系统是无法容忍的 对 于 电流 或 转 矩波 动 的抑制 很 多 文献 都 有 研 究 方法之一是预先电流补偿的方式 用预先 写入的定子 电流来补偿转矩 波动 3 1 这种方法 的 缺点在于要精确获得转矩 波动 的特性参数 而且 由于补偿 的开环特性 如果补偿 电流有误差或者 其他的干扰力矩会使转矩波动更加严重 另有利用转矩传感器 直接测量转矩 波动 加入转矩反馈来减小转矩 波动 这样 的话 就需要 额外 的传感器 增加 了系统成本 由于 主要 考 虑 的 是 电流 测 量 误 差 引 起 的周 期性电流波动 可 以考虑直接用滤波器滤除 频 率和 频率上的测量误差 这种做法的缺点在 于 电流环无法反映齿槽脉动 机械扰动 磁通不 均匀等引起的同样在 及其谐波频率上 的波动 且在低 速转动时 比如 本应用系统 转速低 于 1 r m i n 0 1 Hz 这样的滤波器难以实现 3 2 基 于 电气 角 周期 积分 的 误差 补偿 相 电流 又可 以表 示为 f I a I s i n O e l 1 r j h I s i n 一 耵 l j 采用误差补偿 的方法 在 周期和 周期 内分别对 厶和 厶电流测量值积分 获取增益误差 和偏置误差 即可消除对系统的影响 这种方法不 1 6 受转速 的影 响 也能 反映真 实 的电流及转 矩波 动 1 偏置误差计算 2 K J 一d f 2 J A J s i n 6 d d 0 d 2 rr 7 2 竹 K 2 l 厶 一 d 6 d r 2 4 J s i n 一 争订 幽 d 由式 7 可 得 两 相 电流偏 置误差 2 增益误差计算 K 1 1 1 ad O o 1 A s i n 0 d 0 o k c 2 A J O J 0 K f h d 0 ol lrA in 一 争 盯 d 8 在偏置误差补偿 完成后 由式 8 可得 A B 两 相 电流 相对 增益 误差 3 误差补偿算法流程图 由式 7 式 8 可 以完 成 电流测 量 误 差 的补 偿 图 6为误差补偿算法的实现流程 图 图 6 电流 测 量 误 差 补 偿 流 程 图 Fi g 6 C u r r e n t me a s u r e me n t e nD r c o mp e n s a t i o n fl o w c h a r t 4 实验 结果 上节提 出的补偿 算法在搭建 的扫描反射镜 控制实验系统上验证 电流增益误差小于 1 偏置误差小于 1 0 mV 实验电机 主要参数为 转 矩 系 数 K 0 3 9 0 N m A 负 载惯 量 I O 0 1 5 k g m 电 流 环 K 2 2 0 电 流 环 K i 1 0 电 流 环 0 5 速度 环 K p 3 0 0 速 度环 K d 2 4 采样 时 间 T 5 0 s 吕娴 娜 等 永磁 同步电机 电流波动分析与补偿 电气传动2 0 1 3年 第 4 3卷第 3期 误差补偿算法在 D S P中实现 给定电流指令 值 0 厶 O 3 A 相电流采样到 D S P中进行矢量 变换合成 d q轴 电流 由于 d轴 电流对 电机运动 的影响几乎可以忽略 因此 以 口轴 电流为例 图 7 为 电流测量误差补偿之前 的 口轴电流 图 8为采 用上节提出的算法补偿后的 q轴电流 由图 7可 以看出电流有明显的周期性波动 主要是在 和 频率上 与分析仿真相符合 经过测量误差补 偿后 这种低频 的周期性噪声基本上被消除 电 流波动不超过 1 mA 0 3 0 4 O 3 o 3 0 3 O 2 0 3 0 1 0 3 0 0 0 2 9 9 0 2 9 8 0 2 9 7 图 7电流测量误 差补偿前 q轴 电流 F i g 7 q a x i s c u r r e n t wi t h o u t c u r r e n t me a s u r e me n t e rro r c o mp e n s a t i o n 0 3 0 1 0 3 0 1 0 3 0 0 0 3 0 0 O 2 9 9 0 2 9 9 0 2 9 8 图 8 电流测 量误 差补偿 后 q轴 电流 Fi g 8 q a x i s c u rre n t wi t h c u r r e n t me u r e me nt e r r o r c o mp e n s a t i o n 5结 论 对 电流测量误差 引起 的电流波动进行 了分 析仿真并 阐述了对此电流波动的补偿方法 基于 电气角周期积 分的误差补偿算法能在线实 时完 成 且算法有效易实现 对 电流波动的抑制效果 明显 参考文献 陈小波 胡育 文 黄文新 等 基于单电阻 电流采样 的矢量控 制算法研究 J 电气传动 2 0 1 1 4 1 5 1 5 1 9 唐小 琦 白玉成 陈吉红 永 磁同步 电机高性能 电流解耦控 制的研究 J 电气传动 2 0 0 9 3 9 1 O 1 8 2 2 Ma t s u i N M a k i n o T S a t o h H Au t o Co mp e n s a t i o n o f T o r q ue R i p p l e o f D i r e c t Dr i v e Mo t o r b y T o r q u e O b s e r v e r J I E E E T r a n s I n d A p p l i c a n t 1 9 9 3 2 9 2 1 8 7 1 9 4 S a n j i b K P a n d a X u J i a n X i n Qi an We i z h e R e v i e w o f T o r q u e R i p e M i n i m i z a t i o n i n P M S y n c h o n o u s M o t o r D r i v e s C Po we r a n d En e r g y S o c i e t y Ge n e r a l Me e t i n g c o n v e r s i o n a n d De l i v e r y of El e c t r i c a l En e r g y i n t h e 2 1 s t Ce n t u ry J u l y 2 0 2 4 Pi t t s b u r g h P e n n s y l v an i a 2 0 0 8 1 6 Wi p a s u r a mo n t o n P Z h u Z Q D a v i d Ho w e P r e d i c t i v e C u r r e n t Co n t r o l wi t h Cu rre n t e i T o r Co r r e c t i o n f o r PM B r u s h l e s s AC D ri v e s J I E E E T r ans a c t i o n o n I n d u s t ry A p p l i c ati o n 2 0 0 6 4 2 4 1 0 7 1 1 0 7 9 Ch u n g Da e Wo o n g S u l S e u n g Ki L e e Do n g Ch o o n An a l y s i s a n d Co mp e ns a t i o n o f C urre n t Me a s u r e me n t E r r o r i n Ve c t o r C o n t r o l l e d A C M o t o r D ri v e s C I n d u s t ry A p p l i c at i o n s Co n f e r e nc e T h i r t y fi r s t I AS An n u a l Me e t i n g I AS 1 9 96 Oc t o b e r 6 1 0 S a n Di e g o Cali fomi a 1 9 9 6 3 8 8 3 9 3 收稿 日期 2