PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计及参数确定方法技术方案

本发明专利技术提供PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计及参数确定方法，位置控制器用PID调节器，基于极点配置设计PID调节器参数；电流环用PI调节器，校正成I型系统确定PI调节器的参数，电流环有PWM逆变器，闭环系统特征方程JTqs4+Js3+KtKds2+KtKps+KtKi＝0J为转动惯量，

【技术实现步骤摘要】
PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计及参数确定方法
本专利技术属于伺服系统控制领域，特别涉及一种基于极点配置的PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计及参数确定方法。
技术介绍
一般情况下，在PMSM(permanentmagnetsynchronousmotor，永磁同步电机)位置伺服系统控制领域中，控制器的相关设计和参数确定可以通过永磁同步电机机械运动方程建立传统二阶模型，然后进行推导和相应的仿真实验，但传统的二阶模型无法很好地反映实际系统的相关物理特征，无法体现电流环参数变化对系统的影响。因此通过数学分析的方法来建立精度更高的伺服系统的高阶模型是优化伺服系统控制的一个重点。论文“PMSM伺服系统速度环高阶模型实验建模及分析”(发表于《微特电机》，44(4)：52-55,2016，发表人为潘海鸿，王玲，陈琳，林晓词，何蕴达)基于DSA(DigitalSignatureAlgorithm)算法的PMSM伺服系统速度环建模实验平台来建立了PMSM速度环三阶、四阶和六阶的高阶数学模型；论文“基于前馈解耦的永磁同步电机控制系统研究”(发表于《四川电力技术》，40(4)：74-78,2017，发表人为荆世博，王维庆，王海云，吴先友，蒋中川)根据被控量与PMSM数学模型间的联系，基于拉氏变换构造了一种全系统的简化模型来对双闭环控制器的PI参数进行整定；而论文“高阶非线性系统的位置控制器PID参数优化”(发表于《电机控制与应用》，44(9):84-87,2017，发表人为曹薇，谢天驰)则针对高阶非线性伺服系统位置控制器的PID参数优化问题进行了相关研究。而在对高阶对象的控制器参数进行极点配置设计时，极点参数的变化对控制器性能的影响，也是本领域技术人员需要深入研究的问题之一。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于极点配置的PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计及参数确定方法，用于解决上述问题。为达到上述目的，本专利技术提供一种PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计方法，其中，所述控制器采用PID闭环系统控制器，并用极点配置的方法设计控制器的参数，假设控制器中的电流环采用PI调节器，并校正成I型系统确定PI调节器的参数，所述电流环中设置有PWM逆变器，在d-q坐标系中,所述PID闭环系统的特征方程式为：JTqs4+Js3+KtKds2+KtKps+KtKi＝0，其中J为转动惯量，KPWM为PWM逆变器中的比例增益，R为电机定子电阻，Ta为永磁同步伺服电机电气时间常数，s为被控的时间变量，Kt为转矩常数，Kp、Kd、Ki为控制器的三个控制参数，其中τi为PI调节器的积分时间常数。作为优选，在d-q坐标系中，假设所述永磁同步伺服电机的定子电流矢量与d轴垂直，也即d-q轴上的电流分量id＝0，所述永磁同步伺服电机的传递函数其中iq也是d-q轴上的电流分量，uq为d-q轴的电压分量，Ef为反电动势，Ef＝ωmKe,Ke为反电动势常数，ωm为机械角速度，Lq为d-q轴上的等效电感。作为优选，所述电流环的传递函数作为优选，为了提高电流环的响应速度，令PI调节器的时间常数τi等于永磁同步伺服电机电气时间常数Ta，电流环加上PI调节器后的闭环传递函数为其中TPWM为PWM逆变器的时间常数。作为优选，所述控制器的闭环系统的二阶系统的闭环传递函数其中ωn为无阻尼振荡频率。作为优选，按照二阶模型最佳整定方法，并且将PWM逆变器的时间常数TPWM看成0，则PMSM位置伺服系统电流环的高阶系统传递函数作为优选，所述控制器的闭环系统为单位反馈，则所述控制器的闭环系统的传递函数本专利技术还提供一种如上所述的PMSM位置伺服系统高阶对象控制器参数确定方法，其中，将所述特征方程的根分解为其中ξ为阻尼比，ωn为无阻尼振荡频率，k1和k2为实轴极点与原点的距离，通过确定ξ，ωn，k1和k2的值，计算出相应的控制参数Kp、Ki、Kd的值。本专利技术还提供一种如上所述的PMSM位置伺服系统高阶对象控制器参数确定方法，其中，将所述特征方程的根分解为其中ξ1、ξ2为阻尼比，ω1、ω2为无阻尼振荡频率，通过确定ξ1、ξ2、ω1和ω2的值，计算出相应的控制参数Kp、Ki、Kd的值。本专利技术提出的基于极点配置的PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计及参数确定方法，具有如下优点：(1)本专利技术与通过永磁同步电机机械运动方程建立的传统二阶模型相比，本专利技术提出的位置伺服系统高阶对象模型能够更好地反映实际系统的相关物理特征，可以体现出电流环参数变化对系统的影响。(2)本专利技术针对极点参数变化时高阶对象控制系统不同的阶跃响应进行了对比分析，并给出了相关的参数选取范围，具有一定的实际工程意义。附图说明图1为本专利技术提供的PMSM位置伺服系统高阶对象结构框图；图2为本专利技术提供的高阶位置环路PID控制器的系统框图；图3为本专利技术提供的永磁同步电机位置伺服系统的实际Simulink仿真模型；图4为本专利技术提供的同阻尼比及实极点k1的极点配置仿真结果；图5为本专利技术提供的相同无阻尼振荡频率及实极点k1的极点配置仿真结果(0＜ξ＜1)；图6为本专利技术提供的相同无阻尼振荡频率及实极点k1的极点配置仿真结果(ξ≥1)；图7为本专利技术提供的相同阻尼比及无阻尼振荡频率的极点配置仿真结果；图8为本专利技术提供的特征根为两对共轭极点的极点配置仿真结果；图9为本专利技术提供的特征根为一对共轭极点，一对实极点的极点配置仿真结果；图10为本专利技术提供的特征根为两对实极点的极点配置仿真结果。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。本专利技术提供的基于极点配置的PMSM位置伺服系统控制器的设计与参数确定方法，主要分为三大步骤：位置环高阶对象的建模、控制器的设计及参数整定、通过仿真分析确定PID控制器参数。(一)位置环高阶对象的建模假设忽略铁芯的饱和，不计算涡流和磁滞损耗，电机中的感应电动势为正弦波，那么在d-q坐标系中，PMSM的定子电压方程可以描述为：定子磁链方程为：那么由(1)和(2)，可以得到：其中，ud和uq分别为d-q轴的电压分量；id和iq分别是d-q轴上的电流分量；Ld和Lq为d-q轴上的等效电感；R为定子电阻；ψd和ψq为d-q轴上的定子磁链分量；ω是电角速度；ψf是永久磁体对应的转子磁链。在恒功率变换的原则下，得出电机的输出电磁转矩：Te＝1.5p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq](4)其中p为转子的磁极对数。若忽略磁阻转矩，则令Ld＝Lq，转矩方程变为：Te＝1.5pψfiq＝Ktiq(5)其中Kt为转矩常数。另外，电机的机械运动方程为：其中：J为转动惯量；ωm为机械角速度；TL为负载转矩；B为阻尼系数。为了实现PMSM控制参数的解耦，使用较为常用的“id＝0”控制策略，即令定子电流矢量与d轴垂直，那么在永磁体的ψf是定值的情况下只需要通过调整iq，就可以实现对转矩的直接控制。本专利技术基于“id＝0”的控制策略建立伺服系统位置伺服系统高阶对象的模型如图1所示。首先,PWM逆变器的传递函数可以近似等效为一个一阶惯性环节，写成：其中TPWM为比例增益，TPWM为逆变器的时间常数。由(3),电机的传递函数为：其中Ef为反电动势，Ef＝ωmKe,Ke为反电动势常数，Ta本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计方法，其特征在于，所述控制器采用PID闭环系统控制器，并用极点配置的方法设计控制器的参数，假设控制器中的电流环采用PI调节器，并校正成I型系统确定PI调节器的参数，所述电流环中设置有PWM逆变器，在d‑q坐标系中，所述PID闭环系统的特征方程式为：

【技术特征摘要】
1.一种PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计方法，其特征在于，所述控制器采用PID闭环系统控制器，并用极点配置的方法设计控制器的参数，假设控制器中的电流环采用PI调节器，并校正成I型系统确定PI调节器的参数，所述电流环中设置有PWM逆变器，在d-q坐标系中，所述PID闭环系统的特征方程式为：其中J为转动惯量，KPWM为PWM逆变器中的比例增益，R为电机定子电阻，Ta为永磁同步伺服电机电气时间常数，s为被控的时间变量，Kt为转矩常数，Kp、Kd、Ki为控制器的三个控制参数，其中τi为PI调节器的积分时间常数。2.如权利要求1所述的PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计方法，其特征在于，在d-q坐标系中，假设所述永磁同步伺服电机的定子电流矢量与d轴垂直，也即d-q轴上的电流分量id＝0，所述永磁同步伺服电机的传递函数其中iq也是d-q轴上的电流分量，uq为d-q轴的电压分量，Ef为反电动势，Ef＝ωmKe,Ke为反电动势常数，ωm为机械角速度，Lq为d-q轴上的等效电感。3.如权利要求2所述的PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计方法，其特征在于，所述电流环的传递函数4.如权利要求3所述的PMSM位置伺服系统高阶对象控制器设计方法，其特征在于，为了提高电流环的响应速度，令PI调节器的时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱其新，费清琪，谢鸥，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32