您现在的位置是：首页 > 技术资料 > 永磁同步电动机转速伺服系统PI控制器的一种新设计方法

推荐星级：

永磁同步电动机转速伺服系统PI控制器的一种新设计方法

更新时间：2019-12-24 17:23:16 大小：5M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：永磁同步电动机 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）收藏评论(0) 举报

资料介绍

提出了PI控制器的一种新设计方法,将所有已知和未知的扰动集中为总扰动,简化系统模型,再用积分器作为扰动观测器对总扰动进行观测并补偿.新型PI控制器中的参数与系统性能之间的关系非常简单,易于整定.针对连续变化输入,新型PI控制器引入了输入微分前馈,具有更好的跟踪性能,且输入微分前馈仅是一个微分器,与电动机参数无关,进一步简化了控制器的设计.采用离散最速跟踪微分器对阶跃输入安排过渡过程,可以消除PI控制系统阶跃响应的超调,同时提高系统阶跃响应对控制器参数的不敏感性.实验结果验证了所提方法的有效性.

部分文件列表

文件名	大小
永磁同步电动机转速伺服系统PI控制器的一种新设计方法.pdf	5M

立即下载

【关注视频号领20积分】【关注公众号立即送20积分】

部分页面预览

（完整内容请下载后查看）

V01．31

No．13

2016年7月

电工技术学报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

2016

Jul．

第31卷第13期

永磁同步电动机转速伺服系统PI控制器的

一种新设计方法

刘

闯

左月飞

张捷符

慧

(南京航空航天大学自动化学院南京210016)

张

涛

摘要提出了PI控制器的一种新设计方法，将所有已知和未知的扰动集中为总扰动，简化系统模

型，再用积分器作为扰动观测器对总扰动进行观测并补偿。新型PI控制器中的参数与系统性能之间的

关系非常简单，易于整定。针对连续变化输入，新型PI控制器引入了输入微分前馈，具有更好的跟踪

性能，且输入微分前馈仅是一个微分器，与电动机参数无关，进一步简化了控制器的设计。采用离散

最速跟踪微分器对阶跃输入安排过渡过程，可以消除PI控制系统阶跃响应的超调，同时提高系统阶跃

响应对控制器参数的不敏感性。实验结果验证了所提方法的有效性。

关键词：永磁同步电动机PI控制器参数整定连续变化输入输入微分前馈过渡过程

中图分类号：TM351

Novel

Method of PI Controller for Permanent

Magnetic

Design

Motor

Servo

Speed

Synchronous

System

zu0

Liu

Fu Hui

Tao

Jie

Yu咖i

Chuang Zhang

Zhang

of Automation

of Aeronautics and Astronautics

210016

(College

Nanjing University

Nanjing

China)

PI is

controller

in this

controller

various

Abstract

novel

method of the

that affect the

lumps

the

design

proposed

paper．The

known and unknown

into

total

disturbance，simplifies

quantities

system

performance

then uses the

as an observer to realize total disturbance estimation and

model，and

parameters

integrator

rejection．The

in the novel PI

have

with

are

controller

simple

system performance，and

easy

tracking

of the

relationship

in the

tune．With the

the continuous

derivative

novel

feedforward(IDF)used

controller，better performance

input

can be obtained．The IDF is

differentiator irrelative to the

varying

just

parameters

design process．The

input

the controller

further

magnetic synchronous motor(PMSM)，which

simplifies

permanent

discrete fastest

the

the overshoot in the

used

diminish

differentiator(DFFD)is

response，which

tracking

step

of the

insensitivity

system

at the sanle

are

time．Extensive

experiments

performed

verify

improves

the

parameter

of the

validity

proposed algorithm．

motor，PI

Keywords：Permanent magnetic synchronous

controller，parameter tunning，continuously

derivative

feedforward，transient

varying input，input

profile

高效率和具有一定鲁棒性等优点逐渐取代直流电动机

和其他电励磁的电动机，被广泛应用于工业调速系统

中。传统的PMSM转速伺服系统大多采用双环线性控

制结构，内环为电流环，外环为速度环。随着控制理

0引言

永磁同步电动机(Permanent Magnetic Synchronous

Motor，PMSM)以其高功率／重量比、高转矩／惯量比、

论的发展，多种先进的复杂控制策略如非线性PI控

制[1-3]、自适应控制¨ j]、模糊控制№】、滑模变结构控

Disturbance

国家自然科学基金(51377076)、江苏省“六大人才高峰”项目

(YPCI3013)和江苏省产学研资金(BY2014003-09)资助。

收稿日期2015-03-27改稿日期2015-05-24

制一1、自抗扰控制(Active

Rejection

万方数据

左月飞等永磁同步电动机转速伺服系统PI控制器的一种新设计方法

第31卷第13期

181

摩擦系数，N· m／(rad／s)；咒为负载转矩，N· m；n

Control，ADRC)潍4¨ 等被应用于PMSM转速伺服系统

中，但这些控制策略存在参数整定困难、算法复杂或

存在抖振等问题。因此，在工业应用中占主导地位的

控制仍是线性PI控制。

为机械角速度，rad／s；K为转矩常数，N· m／A；i。为

交轴电流，A。

1．2误差反馈控制律设计

传统的PI控制器大多根据频域特性来整定控制器

参数，文献[12，13]通过幅值裕度和相位裕度得到旨

在获得最佳闭环特性的PID参数，文献[14]建立了较

为精确的PMSM控制系统模型，并给出了控制器的PI

采用直轴电流为零，即ii=0的矢量控制方式。

由式(1)可得机械角速度状态方程为

(2)

五：长一导：bi；州￡)

式中，i：为交轴电流给定值；b为控制增益，b=K,／J；

参数的解析计算式。由于考虑了较多的非理想环节，

整定方法较为复杂，且难以定量分析它们对系统性能

的影响。传统的PI控制器多通过阶跃响应考察系统的

跟踪性能，由于阶跃输入的微分量为脉冲信号，因此

在建模时常忽略输入的微分量。然而，当输人为连续

变化的信号时，忽略输入的微分量将产生建模误差。

为此，文献[15]基于内模控制的原理提出前馈控制来

提高系统的跟踪性能，但需要知道系统的精确数学

模型。

兀为总扰动转矩，死=K(i：一i。)+孔+BO；o(t)为

扰动项，a(t)=一兀刀。

选取机械角速度n为状态变量戈，，将扰动a(t)扩

张为状态变量z：，交轴电流给定值i：为控制量u，则

状态方程变为

(3)

立l=bu+z2

定义机械角速度给定值口与反馈值z．之差为角速

度跟踪误差e。，即e。=秽一戈．，则由式(3)可得角速度

跟踪误差的状态方程为

针对传统PI控制器的控制参数与系统性能关系复

杂的问题，本文借鉴ADRC的控制思想，将外部扰

动、建模误差以及未建模扰动等所有已知和未知扰动

集中为总扰动，然后用积分器作为扰动观测器对总扰

(4)

；。=舀一量l=玉一6“一x2

采用线性比例反馈控制律，即

(5)

÷ 。=一kpe。

式中，k。为控制器的比例系数。

结合式(4)和式(5)可得控制量为

动进行观测并补偿，得到新型PI控制器。新型PI控

制器从传统PI控制器参数中分离出与电动机参数有关

的控制增益，简化了控制器参数与系统性能的关系，

从而简化参数整定过程。针对输入连续变化的场合，

新型PI控制器中同样采用前馈控制的方法进行补偿，

L06)

“：i：：丛!掣坚

“2‘。=—————■_———一

式(6)中的实际状态戈．和戈：未知，可通过传感器

测量或用观测器对其进行观测。

不同的是，由于模型得到简化，新型PI控制器的输入

Derivative

微分前馈(Input

Feedforward，IDF)环节只是

通常，角速度可通过对角度信号直接微分得到，

一个微分器，与电动机参数无关，进一步简化控制器

的设计。利用新型PI控制系统能够在无扰动的情况下

无误差地跟踪连续变化输入，采用文献[16]提出的改

进型离散最速跟踪微分器对阶跃输入安排过渡过程，

可以消除阶跃响应的超调，并且可同时提高系统阶跃

响应性能对参数的不敏感性。最后通过实验验证了所

提方法的正确性和实用性。

将其定义为Y，并设Y=z。+6。其中6。；为角速度n

的测量噪声。用Y代替戈。，则角速度跟踪误差变为

e。2移一Yo

系统无扰动时，采用比例控制即可实现无稳态误

差，系统有扰动时，采用比例积分控制即可消除稳态

误差。由此可知，积分的作用就是抵消扰动对系统的

影响，或积分器能够观测扰动。将x：替换为跟踪误差

的积分，得到PI控制器下的控制量为

1新型PI控制器的设计

1．1

PMSM的数学模型

u=i：={_[。+kp(勘一y)+ki』(”一y)dt](7)

限幅后的实际控制量i二为

本文研究的是表贴式永磁同步电动机，则其在转

子磁场定向的同步旋转坐标系(d-q坐标系)下的机械

运动方程为

：’

qma^x

州4

f一：2<i

q'm．、sgn(i

(L68)J

(1)

l l'一qm。

k k

I，警=郧。一n一曰n

式中，，为系统的转动惯量，kg-In2；B为系统的粘滞

由于采用了积分器且输出存在限幅，本文采用遇

万方数据

182

电工技术学报

2016年7月

限停止积分的抗积分饱和方法，于是得到新型PI控制

器的结构框图如图1所示。转速环传统PI控制器的

结构框图如图2所示，PMSM矢量控制系统结构框

图如图3所示。对比图1和图2可看出，新型PI控

制器与传统PI控制器在结构上的区别为：新型PI

控制器多了一个输入微分前馈环节和控制增益

环节。

2新型H控制系统的性能分析

2．1

系统对时变输入的跟踪性能

在连续变化输入(如正弦给定)的作用下，输入的

微分量对应的控制量通常能够被系统响应，因此输入

微分前馈可以起作用。由式(9)知，新型PI控制系统

能够在无扰动的情况下无误差地跟踪连续变化输入。

由式(10)知，传统PI控制系统对连续变化输入的跟

踪存在相位滞后，跟踪误差较大。

2．2系统的阶跃响应

当输人为阶跃信号时，输入的微分量为脉冲信

号。由于电流环带宽有限且存在电流限幅，因此输入

微分量对应的控制量无法被系统响应，输入微分前馈

近似不起作用。由式(10)可知，新型PI控制系统在

给定作用下表现为一个二阶系统。令入，(s)为典型二

图l转速环新型PI控制器结构框图

Block

the novel PI controller for

Fig．1

diagram

speedloop

阶系统的特征多项式s2+2Qo。s+(c，：，则尼。=2洳。、

k。=∞：(∞。为无阻尼自然频率，f为阻尼比)，则系统

的时域阶跃响应和超调量分别为

¨ 斋sin^co)dt-cp，

n(t)=

I—e _。+co。te 。

考=1

图2转速环传统PI控制器结构框图

1+—L(∞。e咖r一∞：e咖t)f>1

Block

of traditional PI controller for

speedloop

Fig．2

diagram

fe一2删呻

盯％=J e之

，L

、，

，

一2nlnm

一26lnm

—be

【ae

式中，(t)。为阻尼自然频率，rad／s；t为时间，S；‘；p为

振荡角，rad；∞。和∞：为两个不同的衰减振荡频率，

rad／s；m为振荡频率比；o、b为临时变量。以上参数

的计算公式如下

图3矢量控制系统结构框图

Block

of vector control

diagram

Fig．3

system

∞。=co。瓜

1．3系统响应

‘P=COS一(f)

将式(7)代入式(4)可得闭环系统的输出为

co。=(f一再)co。

coz 2(考+厅丁)co。

(13)

z-(s)=口s)一6ns(s)+南[X,2(s)+刚s)]

(0，

(9)

m=——

∞i

式中，．)L。(s)为闭环系统的特征多项式，．)L。(S)=s2+

kps+k；。

2；再1

当无IDF时，系统在给定作用下的传递函数为

h=1+”

(10)

州扯籍=锗

由式(12)和式(13)可知，超调量盯％随阻尼比f

万方数据

全部评论(0)

暂无评论

评论赚积分>>

上传资源

永磁同步电动机转速伺服系统PI控制器的一种新设计方法

资料介绍

部分文件列表

部分页面预览

相关下载

全部评论(0)

热门标签

最新上传

热门下载

推荐下载

专栏首页