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永磁交流伺服系统速度控制器优化设计方法

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针对永磁同步电机数字控制系统中,电机转速动态过程中出现的由于通常采用PI控制器串联校正来设计速度环而导致的超调和振荡问题,提出了一种速度控制器优化设计方法.在分析了永磁交流伺服系统速度环数学模型的基础上,调整了速度控制器中比例增益的作用位置,构成IP控制器局部反馈校正来设计速度环.根据稳定性和跟随性要求,选取转速偏差指标函数,优化控制器参数设计,同时在控制器设计中增加了anti - windup策略.所设计的控制器,可以获得电机转速的无超调、无振荡快速响应,并具有较强的抗扰动能力.仿真和实验结果验证了设计方法的有效性和可行性.

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V01．16 No．2

第16卷第2期

电

ELECTRIC

机

与

控

制

学

报

MACHINES AND CONTROL

Feb．2012

2012年2月

永磁交流伺服系统速度控制器优化设计方法

徐殿国

(哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江哈尔滨150001)

王宏佳，

杨明，

牛里，

摘

要：针对永磁同步电机数字控制系统中，电机转速动态过程中出现的由于通常采用PI控制器

串联校正来设计速度环而导致的超调和振荡问题，提出了一种速度控制器优化设计方法。在分析

了永磁交流伺服系统速度环数学模型的基础上，调整了速度控制器中比例增益的作用位置，构成

IP控制器局部反馈校正来设计速度环。根据稳定性和跟随性要求，选取转速偏差指标函数，优化

控制器参数设计，同时在控制器设计中增加了anti—windup策略。所设计的控制器，可以获得电机

转速的无超调、无振荡快速响应，并具有较强的抗扰动能力。仿真和实验结果验证了设计方法的有

效性和可行性。

关键词：永磁同步电机；速度控制器优化设计；IP控制器；anti．windup策略

351

中图分类号：TM

文献标志码：A

文章编号：1007—449X(2012)02-0025—07

for

controller

method

design

speed

Optimal

_magnetAC servo

system

permanent

WANG

YANG

NIU

Li，XU Dian—guo

Hong-jia，

Ming，

of Electrical

Institute

(Department

Engineering，Harbin

Technology，Harbin 150001，China)

control

Abstract：In the

magnet synchronous motor(PMSM)digital

system，the proportional—

permanent

in the

control

solve the

overshoot and OS—

speed

integral(PI)regulator

always adopted

speed

loop．To

cillation

in the

controller

meth-

speed

problems

od．On the basis of the

dynamic process，this paper proposed

optimal

system

design

relocated

speed loop model，it

of the

AC servo

permanent

analysis

into the feedback

action

magnet

to constitute

the

path

proportional

integral-proportional(IP)regulator．Accord—

formulated the

and

error criterion function．

stability

following performance requirements，it

were

speed

wasconsidered．The

speed

ing

The

controller

the

anti—windup

strategy

speed

parameters

optimized，and

control

has fast

without overshoot and

results

the anti—disturbance

oscillation，and

strategy

response

improves

per—

and

the effectiveness and

of the

formance．The simulation

method．

verify

experimental

feasibility

proposed

controller

magnet synchronous

speed

motor；optimal

design；integral—proportional

Keywords：permanent

regulator；anti—windup strategy

收稿日期：2010—08一17

基金项目：国家高技术研究发展计划(2008AA042602)；The ^NationalHigh Technology

Research and

Development Program ^ofChina(2008AA042602)

作者简介：王宏佳(1983一)，男，博士研究生，研究方向为电力电子技术和永磁交流伺服驱动控制技术；

杨明(1978一)，男，博士，副教授，研究方向为电力电子技术及应用、交流永磁伺服系统和智能控制应用；

牛里(1985一)，男，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动；

徐殿国(1960一)，男，教授，博士生导师，研究方向为交流伺服控制系统、机器人控制技术、风力发电和光伏发电技术等。

通讯作者：王宏佳

万方数据

电机与控制学报

第16卷

所示为数字控制PMSM调速系统框图。图1(a)中所

示，to+、∞二。分别为速度给定和每个采样周期r内对

应的采样脉冲序列，电机机械转速经过采样送人测速

引

言

随着电力电子技术、功率半导体器件和控制理论

等方面的进展，采用高速微控制器和数字信号处理器

的数字化交流伺服系统已在许多高性能工业应用场

环节WsM(s)后，得到转速反馈采样脉冲序列to‰ 。，

进而获得转速偏差△∞。其中，i：为转矩电流指令，

合广泛使用¨ 。5

o。永磁同步电机以其结构紧凑、高功

iqmax为电流限幅值，秭为转矩系数，畎。。(s)为速度调

节器，砜(S)为电机机械系统模型。

率密度、高转矩惯性比和宽调速范围等优点，越来越

多地应用在机器人、数控机床等运动控制领域[6‘10I。

采用矢量控制的PMSM数字控制系统一般为

电流环、速度环、位置环组成的串级控制系统，处在

内环的电流环和速度环，其性能直接关系到整个伺

服系统能否满足高速高精度的运动控制要求。通过

分析影响电流环响应的因素H卜12』，综合电流调节器

设计并选取合适的PWM调制方法，可实现带宽扩

展。13。15 J，提高电流环性能。而速度环是伺服系统实

现快速跟踪控制的关键环节，速度控制器的设计需

要考虑电机转速能够快速稳定地跟踪给定，既无超

调也无振荡，并且具备较强的抗扰动能力。

(a)采样控制系统框图

(b)脉冲传递函数系统

通常采用PI控制设计速度控制器，速度响应存

在超调。由于受电机电流、逆变器驱动电压等限制，

当速度阶跃给定较大时，由于控制器积分饱和还会

出现windup现象¨ ”“o。

图1数字控制PMSM调速系统

PMSM_speedcontrol

Fig．1

system

在采样周期[蠡r，(k+1)丁]内，根据式(2)有

本文将比例环节移到反馈通道构成IP控制来

设计速度调节器，根据稳定性和跟随性要求，提出了

一种IP速度控制器参数的优化设计方法，同时考虑

较大转速阶跃较大时积分饱和的影响，设计了基于

增量式算法Anti—windup控制器，仿真和实验结果

验证了所提方法的有效性。

L，，

( L咒。础。) (一％巩 )一( t L) ) d t ( - O ( k + 1

to(k) 寺I

+了f

％)+寺疋Ⅲ)一爿。，TL(t)dt。(3)

当负载转矩正．作为外部扰动等于0时，电机的

机械系统传函可表示为

PMSM数字控制系统的数学模型

吼，=器h=志。

电磁转矩t。和负载转矩咒在采样周期[(k一

1)r，．|}丁]内保持不变，转速测量值可以表示为相邻

永磁交流伺服系统一般采用转速、电流双闭环

控制结构。在同步旋转坐标系下，采用i。=0控制

时，对表贴式PMSM来说，单位定子电流可获得最

大转矩。电磁转矩方程为

两个速度采样值∞m，，和∞。。，的平均值，得到测速

环节的传函为

(1)

咒。=p。砂，i。。

(5)

吲加筹(U

等。二二

系统的运动方程为

进而，图1(a)的采样控制系统框图可以转化为

图1(b)所示的脉冲传递函数系统。△∞。。。、∞。。。、

t。一。。。和咒一。。。为相对应物理量的采样脉冲序列。

(2)

I，半=t。一丁。。

式中：i。为转矩电流；沙，为与定子相绕组交链的永磁

体磁链；p。为电机极对数；咒。为电磁转矩；TL为负载

转矩；．，为系统转动惯量；09为转子的机械角速度。

作为数字控制系统内环的电流环，主要实现d、q

轴电流的快速跟随及电流限幅，其采样频率远高于速

度环采样频率，具有较高的控制环路带宽，在分析设

计速度环时可将电流环的闭环传函近似看成1。图1

2速度闭环控制

根据图1(b)所示的速度环结构，可以得到永磁

交流伺服系统速度控制的离散形式闭环传函G。。。(z)，

G出(z)的零、极点决定了速度的动静态响应特性及

速度环的闭环带宽，即

万方数据

第2期

王宏佳等：永磁交流伺服系统速度控制器优化设计方法

控制和IP控制结构图。

(6)

G出 =端=丽裂畿甓蒜。

速度受负载转矩扰动的影响可由闭环脉冲传函

Gu。(彳)求得，有

钆小)=糕=丽i瓮瓷丽o(7)

基于电机转速调节的稳态无静差要求，在扰动

作用点之前的速度调节器职。。(Z)中，要设置一个

积分环节。速度控制器通常采用P，控制，提高系统

的控制精度和抗干扰能力。速度控制器形撇(z)和

对应的闭环脉冲传函为

(a)PI控制

(b)IP控制

图2 PI控制和IP控制结构

PI and IP control

Fig．2

diagram

采用IP控制的系统闭环脉冲传函为

一

2KT。石2

GclslP(z)2■币jij万万可i西i瓦’

(8)

畎。R(名)=峰+K，÷ ，

(14)

2 ( 峰。 + K I 。 ) 石 2 — 2 K P e z G

clsPI(z)2■币jii万万可i丽瓦：’

G一加玎蕊鑫努等而瓦。

(9)

(15)

采用IP控制的闭环极点同PI控制相同，但闭

环零点的位置都在原点，消除了PI控制中的正实零

点。结合本文实验平台的具体参数对速度控制器的

两种结构进行仿真，图3为PI控制和IP控制在阶

跃给定500 r／min时电机转速n的响应曲线，此时速

度控制器为线性工作状态，控制器输出没有饱和，可

见，IP控制将比例环节移到反馈通道，速度给定的

脉动只经过积分环节，这样转矩给定的波动将会降

低，速度阶跃时超调减小。从图3中同时可以看出，

IP控制的速度阶跃响应上升时间较长，其在速度响

应的快速性方面相对PI控制较弱。

Gu洲 =玎蕊暑筹等葡瓦。

(10)

式中：Kn

2酶KT万1；K—e=K坼万1。

系统存在3个闭环极点P。、P：和P，，和2个闭

环零点Z，和z：，其特征多项式为

DPI(z)=Z3一(2一KP。一KI。)z2+(1+KI。)Z—

(11)

(12)

KPe=(彳-p。)(z-p：)(Z-p3)，

P1+p2+p3=2一KP。一KI。，、

PlP2+p2P3+p3P1=1+KI。，}

plp：p3：K，。。

750

给定

可见，闭环极点不能任意配置，需要通过两个可

调参数来调整。若其中存在共轭极点，则系统在到达

稳态之前会有阻尼振荡。考察系统的两个闭环零点

500

250

卜＼

f＼响应

O．01 O．02 O．03 0．04

)

——I．2夏赢，

_^。0，=一Kpe=去，(1321 ^0，=

pe+K

t／s

(a)PI控制

(b)IP控制

闭环零点z，驻留在原点，Z：是正实的，在单位圆内。

彳：的存在加强了闭环传函的微分作用，使得系统对

输人突变和负载扰动变得敏感。微分作用产生的转

矩给定突然变化，会对电机机械系统和传动联接元

件产生危害。当机械负载为存在弹性耦合的分布质

量组合时，转矩的突变将引起机械谐振n8|。

图3阶跃给定500 r／min时速度响应仿真曲线

Simulated

for

Fig．3

speed step responses

the command _speedof 500 r／rain

比较式(10)和(15)，IP速度控制器和PI速度

控制器对负载转矩扰动的速度响应脉冲传函相同，

故在选取相同的控制器参数情况下，两种控制方式

抗扰性能一样。

根据上面的分析，速度调节器采用PI控制时，

闭环系统由于存在一个正实零点，转速的动态响应

存在超调，这是高品质的伺服所不能接受的。为了

消除这个闭环零点，将速度控制器PI控制中的比例

环节从前向通道移到反馈通道中，将串联校正转变

为局部反馈校正，构成IP控制。图2分别给出了PI

PMSM速度控制器优化设计方法

3．1

速度响应要求和性能指标函数

首先要满足稳定性要求，同时要实现速度响应

万方数据

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