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基于Anti-Windup控制器的永磁同步电机控制系统设计

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永磁同步电机矢量控制系统中存在非线性饱和特性.分析了经典的PID控制器用于系统时所带来的积分Windup现象,并介绍了几种典型而适用的Anti-Windup控制器结构,基于变结构Anti-Windup控制器对系统进行了改进以抑制积分Windup现象,控制器采用条件积分法和反计算法相结合的控制策略,保证了系统出现饱和时,尽快地退出饱和区.仿真和实验结果表明,该控制器能有效抑制系统的积分Windup现象,系统超调量小、速度响应快,具有较好的鲁棒性和较高的稳态性能.

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No．4

2009

V01．24

Apr．

2009年4月

电工技术学报

OF CHINAELECTROTECHNICAL

SOCIETY

第24卷第4期TRANSACTIONS

基于Anti．Windup控制器的永磁同步

电机控制系统设计

凤1

(1．哈尔滨工业大学电气工程系哈尔滨

于艳君1

柴

高宏伟2程树康

150001

2778350)

2．日本东方电机股份有限公司日本千叶

摘要永磁同步电机矢量控制系统中存在非线性饱和特性。分析了经典的PID控制器用于系

统时所带来的积分Windup现象，并介绍了几种典型而适用的Anti—Windup控制器结构，基于变结

构Anti，Windup控制器对系统进行了改进以抑制积分Windup现象，控制器采用条件积分法和反计

算法相结合的控制策略，保证了系统出现饱和时，尽快地退出饱和区。仿真和实验结果表明，该

控制器能有效抑制系统的积分Windup现象，系统超调量小、速度响应快，具有较好的鲁棒性和

较高的稳态性能。

关键词：永磁同步电机PID控制器饱和非线性

中图分类号：TM351

Anti．Windup控制器

Based on

Controller

PMSM_System

Chai

Anti-Windup

Hongwei2 Cheng Shukan91

Design

Gao

Yanjunl

Fen91

5000

China

(1．Harbin Institute of

Harbin

Technology

2．Oriental MotorCo．．LTD．

Kashiwa—shi Chiba 2778350

Japan)

motor

Abstract When classical PID controllers were used

control

permanent magnet synchronous

was

was caused

(PMSM)vector

system，the integrate windup phenomenon

analyzed，which

several

and

controllers were

was

improved

the

of saturation

nonlinearity．Then

typical

applied anti—windup

presence

on variable-structure

PID

introduced．Based

controller,the

anti—windup

system

of conditional

controller iS based on the combined use

the relevant

suppress

windup phenomenon．The

can make the

and back—calculation

control

strategy

that the

system

integration

anti—windup techniques．The

controller

saturation area as soon as

simulation results show

anti—windup

leaving

possible．The

saturation．The

makes the PMSM less

system

has the nice effect in

restraining

designed system

robustness and

overshoot，more

dynamic

high steady· state performance．

controller

quickly

response，good

PMSM，PID_{controller,saturation}

nonlinearity，anti—windup

Keywords

果是使按经典控制理论设计的系统输出超调增大，

稳定时间增长，造成系统的动态特性变差，甚至会

引起系统的不稳定。解决这个问题的根本方法就是

设计控制器抑制饱和引起的Windup现象的发生，

并且当系统中出现饱和时，可以尽快地退出饱和区，

引言

为了消除静差、提高精度，永磁同步电机控制

器中一般引入积分环节。而积分环节的引入会造成

系统的Windup现象n也1，其主要原因是由于控制系

统本身受电机电流、逆变器驱动电压的限制而具有

的非线性饱和特性造成的。这种现象引起的直接后

所设计的相应的控制器被称为Anti．Windup控制

器口1。

Anti．Windup控制器主要分为条件积分法和反

计算法两大类12{】：前一类是根据系统限幅作用的与

收稿日期2007．12．12 改稿日期2008—07—22

万方数据

第24卷第4期

于艳君等

基于Anti—Windup控制器的永磁同步电机控制系统设计

否来控制积分作用；后～类是通过反馈计算来消除

由积分饱和引起的误差。文献【9一lO】研究了将条件积

分法和反计算法相结合的变结构控制器算法。本文

R。——定子每相电阻；

髀一永磁体产生的磁链；

凰——电机的反电动势常数；

瓦——电机的电磁转矩；

在总结各种算法的基础上，基于变结构Anti．Windup

控制器设计了永磁同步电机控制系统并对其进行了

岛—一电机的转矩常数。

电机的运动方程为

仿真和实验研究，结果表明该系统能有效抑制积分

Windup现象，设计的系统参数既满足了系统的动态

性能要求，又能保证系统具有良好的稳态特性，设

计的系统易于实现、适合于工程应用。

(3)

兰缈=÷ (瓦一五“)

．，、‘

式中

改卜一电机的旋转角速度；

．卜电机的转动惯量；

系统控制器设计及Windup现象

正——电机的负载转矩。

2．1

对式(1)～式(3)进行拉普拉斯变换，可得

永磁同步电机的数学模型

永磁同步电机双闭环调速系统的动态结构框图，如

图2所示。图中，GAsR、GAcR分别为转速控制器和

电流控制器；To”Toi分别为转速滤波时间常数和电

流滤波时间常数。

分析永磁同步电机控制系统时，最常用的是电

机d．q轴系下的数学模型。采用矢量控制的永磁同

步电机控制系统根据控制d、q轴电流的不同，可以

产生不同的控制策略。为了选择适合于被测电机的

控制策略，首先对被测电机的矩角特性进行了有限

元分析和实测研究，其结果如图1所示。

器

邑

＼

嫂

辩

图2永磁同步电机控制系统的框图

Block

of the PMSM control

system

Fig．2

diagram

2．2

PMSM系统中的Windup现象

根据图2所示的永磁同步电机系统动态结构模

图1 被测电机的矩角特性

型，按照经典控制理论设计了系统的电流控制器和

The_{torque—angle}characteristic ofthe

转速控制器。经典PID控制器参数形式可表述为

Fig．1

prototype

t．

motor

(4)

uAs)=kp· P(s)+3· P(J)+kD· s· P(s)

从图1可知，被测电机虽然具有一定的凸极性，

但其最大转矩角在90。～110。之间，磁阻转矩与永

磁转矩相比很小，对于该电机系统，采用fd=0控制

模式可得到近似于最大转矩／电流控制模式的控制

效果，使控制系统算法简单、效率高且可减小电机

的铜耗[II-12】。因此本文采用fd=0的控制方式，此时

式中 kp，kI，b——控制器的比例积分微分增益；

M。(5卜控制器输出；

已(s)——系统误差。

系统的电机参数和设计的控制器参数分别如表

1和表2所示。按照所设计的控制器参数分别对系

统在理想状况下和饱和限幅情况下进行阶跃响应的

仿真分析，对应的转速PID控制器输出和转速响应

曲线分别如图3和图4所示。

电机q轴上的电压方程和转矩方程为

(1)

“q=足屯+k景iq+K班

从图3和图4可以看出，在考虑电机系统实际

存在的饱和非线性特性的情况下，按照经典控制理

(2)

瓦=略i4

式中

论设计的线性控制器控制效果会变差，产生Windup

现象。这主要是由于积分环节的积分作用所引起的

“q1轴的定子电压；

fql轴的定子电流；

Lql轴的电枢电感；

非零初始条件问题，误差在相当长的一段时间内持

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