永磁交流伺服系统速度控制器优化设计方法_王宏佳

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。 Δω sam 、 ω sam 、 T em － sam 和 T L － sam 为相对应物理量的采样脉冲序列 。
式中： i q 为转矩电流； ψf 为与定子相绕组交链的永磁 体磁链； p n 为电机极对数； Tem 为电磁转矩； TL 为负载 转矩； J 为系统转动惯量； ω 为转子的机械角速度。 q 作为数字控制系统内环的电流环， 主要实现 d、 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
Abstract： In the permanent magnet synchronous motor （ PMSM） digital control system，the proportionalintegral （ PI） regulator is always adopted in the speed control loop． To solve the speed overshoot and oscillation problems in the dynamic process，this paper proposed an optimal speed controller design method． On the basis of the analysis of the permanent magnet AC servo system speed loop model，it relocated the proportional action into the feedback path to constitute integralproportional （ IP） regulator． According to stability and following performance requirements，it formulated the speed error criterion function． windup strategy was considered． The speed The speed controller parameters were optimized，and the anticontrol strategy has fast response without overshoot and oscillation， and improves the antidisturbance performance． The simulation and experimental results verify the effectiveness and feasibility of the proposed method． Key words： permanent magnet synchronous motor； optimal speed controller design； integralproportional regulator； antiwindup strategy
WSM （ Z） （ b） 脉冲传递函数系统
图1 Fig． 1
数字控制 PMSM 调速系统 PMSM speed control system
kT， （ k + 1 ） T］ 在采样周期［ 内， 根据式（ 2 ） 有 （ k +1） T 1 （ T em（ k） － T L （ t） ） dt = ω （ k + 1 ） = ω （ k） + J kT
26
电
机
与
控
制
学
报
第 16 卷
0
引
言
所示为数字控制 PMSM 调速系统框图。图 1 （ a ） 中所 * * 示， ω 、 ωsam 分别为速度给定和每个采样周期 T 内对 电机机械转速经过采样送入测速 应的采样脉冲序列， 环节 WSM （ s） 后， 得到转速反馈采样脉冲序列 ωfbsam ， i q 为转矩电流指令， 进而获得转速偏差 Δω。其中， i qmax 为电流限幅值， K T 为转矩系数， WASR （ s ） 为速度调 WM （ s） 为电机机械系统模型。 节器，
Optimal speed controller design method for permanent magnet AC servo system
WANG Hongjia， YANG Ming， NIU Li， XU Dianguo
（ Department of Electrical Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001 ，China）
TL 棕*%%%%% 棕 sam 驻棕 WASR （ s） T +*
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 ［ 1 －5 ］ 。永磁同步电机以其结构紧凑、 高功 合广泛使用 率密度、 高转矩惯性比和宽调速范围等优点， 越来越 ［ 6 － 10 ］ 。 多地应用在机器人、 数控机床等运动控制领域 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 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 ， 提高电流环性能。而速度环是伺服系统实 速度控制器的设计需 现快速跟踪控制的关键环节， 展 既无超 要考虑电机转速能够快速稳定地跟踪给定 ， 调也无振荡， 并且具备较强的抗扰动能力。 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 ［16 － 17 ］ 。 出现 windup 现象 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 仿真和实验结果 增量式算法 Anti － windup 控制器， 验证了所提方法的有效性。
［13 － 15 ］ ［11 － 12 ］
*
iqmax -iqmax
i
* q
T
ZOH
iq
KT
Tem 棕 WM （ s） +
棕fbsam
wk.baidu.com
（ s） WSM
T
a） 采样控制系统框图 （ TL_sam Tem_sam KT +
棕
*%%%%% sam
驻棕sam
+棕fbsam
WASR （ s）
WM （ z）
棕sam
=
TL = 0
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 d = 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 T em = p n ψ f i q 。 系统的运动方程为 J dω = T em － T L 。 dt （ 2） （ 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 cls （ z） ， G cls （ z ） 的零、 极点决定了速度的动静态响应特性及 即 速度环的闭环带宽，
第2 期 G cls （ z） =
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。
第 16 卷
第2 期
2012 年 2 月
电 机 与 控 制 学 报 ELECTRI C MACHINES AND CONTROL
Vol. 16 No. 2 Feb． 2012
永磁交流伺服系统速度控制器优化设计方法
王宏佳， 杨明， 牛里， 徐殿国
（ 哈尔滨工业大学 电气工程系，黑龙江 哈尔滨 150001 ）
（k－ 电磁转矩 T em 和负载转矩 T L 在采样周期 ［ 1 ） T， kT］ ， 内保持不变 转速测量值可以表示为相邻 得到测速 两个速度采样值 ω （ k － 1） 和 ω （ k） 的平均值， 环节的传函为 W SM （ z） = ω fb （ z） z + 1 = 。 2z ω（ z） （ 5）
图2 Fig． 2
PI 控制和 IP 控制结构 PI and IP control diagram
采用 IP 控制的系统闭环脉冲传函为 2 K Ie z2 G clsIP （ z） = 3 ， z － （ 2 － K Pe － K Ie ） z2 + （ 1 + K Ie ） z － K Pe （ 14 ） G LdsIP （ z） = － Tz（ z － 1 ） / J 。 z3 － （ 2 － K Pe － K Ie ） z2 + （ 1 + K Ie ） z － K Pe （ 15 ） 采用 IP 控制的闭环极点同 PI 控制相同， 但闭 ， PI 环零点的位置都在原点 消除了 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 IP 控制将比例环节移到反馈通道， 见， 速度给定的 这样转矩给定的波动将会降 脉动只经过积分环节， 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。
棕*%%%%% 驻棕 sam + KI 1-z-1 KP 棕fbsam （ a） PI 控制 棕fbsam （ b） IP 控制 i* q + + 棕*%%%%% 驻棕 sam +KI 1-z-1 i* q + KP
27
WASR （ z） WM （ z） K T ω（ z ） = 。 （ 6） * ω （ z） 1 + WASR （ z） WM （ z） WSM （ z） K T
∫
ω （ k） +
1 T T em（ k） － J J
∫
（ k +1） T kT
T L （ t） dt。（ 3 ）
当负载转矩 T L 作为外部扰动等于 0 时， 电机的 机械系统传函可表示为 ω（ z） W M （ z） = T em （ z） T 。 J（ z － 1 ） （ 4）
1
PMSM 数字控制系统的数学模型
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 摘 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。 windup 策略 关键词： 永磁同步电机； 速度控制器优化设计； IP 控制器； anti中图分类号： TM 351 文献标志码： A 文章编号： 1007－ 449X（ 2012 ） 02－ 0025－ 07
速度受负载转矩扰动的影响可由闭环脉冲传函 G Lds （ z） 求得， 有 G Lds （ z） = － W M （ z） ω（ z ） = 。 （ 7） TL （ z） 1 + WASR （ z） WM （ z） WSM （ z） K T
基于电机转速调节的稳态无静差要求， 在扰动 要设置一个 作用点之前的速度调节器 W ASR （ z ） 中， 积分环节。速度控制器通常采用 PI 控制， 提高系统 。 W 的控制精度和抗干扰能力 速度控制器 ASR （ z ） 和 对应的闭环脉冲传函为 W ASR （ z） = K P + K I z ， z －1 （ 8）
收稿日期： 2010 － 08 － 17 基金项目： 国家高技术研究发展计划（ 2008AA042602 ） ； The National High Technology Research and Development Program of China （ 2008AA042602 ） 作者简介： 王宏佳（ 1983 —） ， 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； 明（ 1978 —） ， 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； 里（ 1985 —） ， 男， 博士研究生， 研究方向为电力电子与电力传动； 徐殿国（ 1960 —） ， 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。 杨 牛 通讯作者： 王宏佳