永磁同步电机高性能控制器的PI参数整定方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机高性能控制器的PI参数整定方法，属于电机控制技术领域。该方法包括：采样电机绕组电流；建立电机驱动系统的数学模型；绘制PI参数稳定域；根据频域性能指标相位裕度和幅值裕度分析稳定性，绘制期望裕度域；根据时域性能指标超调量和调节时间分析动态性，绘制以PI参数和性能指标的三维图；完成PI参数多目标寻优，整定结果作为控制器中PI调节器系数。本发明专利技术提供的方法具有显著优点，主要体现在：1、兼顾了时域和频域多个指标，保证系统具有较高的鲁棒性和良好的动态性能；2、通过可视化分析直接揭示系统的性能指标和参数的变化关系，指明了PI参数的调试方向；3实现了模块化和程序化，可移植性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电机控制系统电流环PI参数整定方法，特别是涉及时域和频域多个性能指标的可视化分析方法，属于电机控制

技术介绍
永磁同步电机(PMSM)具有高功率密度、高效率和低噪声等优点，在电动汽车领域得到越来越多的应用。电机控制器(又称为电机驱动系统)是电动汽车的“大脑”，对于电机控制器的基本要求有：1)安全可靠，在系统参数变化时系统仍然稳定运行；2)转矩响应快，满足车辆快速起动、超车等要求；3)弱磁电压调节快，适应车辆高速运行。电流环是控制系统的内环，电流采样值通过PI调节器实现对给定值的跟踪。因此提高电机控制器性能，需要整定出最优的PI参数，满足多个性能指标要求。PI参数的整定方法很多，按照是否通过性能指标来整定PI参数，可以分为两类：第一类方法为直接整定法，通过工程经验或者法则获得PI参数，再求解性能指标来验证PI参数的整定效果；第二类方法为间接整定法，先分析系统的性能指标，再通过给定指标来整定PI参数。直接整定法主要有：Ziegler-Nichols法、人工手动调节法和典型系统整定法。Ziegler-Nichols法在工程中应用最为广泛，其整定过程为：首先要获取系统的临界频率点信息，然后根据ZN法则得到PI系数。直接整定法存在以下不足：1)依赖经验值，难以达到期望的性能指标，整定效果较差；2)无法揭示系统性能指标和参数的变化关系，参数的调试方向未知，需要反复试凑。间接整定法从系统性能指标出发来整定PI参数。文献“Lidozzi A,Solero L,Crescimbini F,et al.Direct tuning strategy for speed controlled PMSM drives[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics.2010:1265-1270.”(“速度控制PMSM驱动系统的直接调试策略”，《IEEE工业电子国际研讨会》，2010年第1265-1270页)通过给定开环截止频率和相位裕度来计算PI参数，可以满足期望的动态性能。该方法通过解析式推导裕度和PI参数的关系，运算量较大。文献“Fung H W,Wang Q G,Lee T H.PI Tuning in Terms of Gain and Phase Margins[J].Automatica,1998,34(9):1145-1149”(“一种基于幅值和相位裕度的PI调节方法”，《自动化》，1998年第59卷第9期1145-1149页)首次提出采用图解方法来整定PI参数，避免了解析式法的大量预算。文献“Hamamci S E,Tan N.Design of PIcontrollers for achieving time and frequency domain specifications simultaneously[J].Isa Transactions,2006,45(4):529-543.”(“同时实现时域和频域性能指标的PI控制器设计”，《Isa Transactions》，2006年第45卷第4期529-543页)给出了期望性能指标和参数的图示关系，同时实现时域和频域性能指标的设计。这些方法存在以下不足：1)忽略或者近似处理数字化过程中的延时环节，将PMSM驱动系统近似为线性系统，降低了PI参数整定的准确度；2)针对PMSM控制器，没有一个通用的PI参数整定方法，可以获取满足时域和频域多个性能指标的参数团解，无法完成多目标优化。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为针对现有技术中存在的需要反复试凑和整定效果差的问题，提供了一种可以兼顾时域和频域多个性能指标的可视化分析方法，
得到满足期望指标的全部解，并且指明性能改进的方向，考虑数字化过程中延时的影响，提高PI参数的整定精度。为解决本专利技术的技术问题，所采用的技术方案为：1、一种永磁同步电机高性能控制器的PI参数整定方法，以图解的方式实现系统稳定性和动态性指标的分析和PI参数多目标优化，所述的PI参数包括PI调节器比例项系数Kp和PI调节器积分项系数，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采样得到离散的三相绕组电流信号，其主频谱幅值衰减为连续信号的Ts为采样周期，三相绕组电流信号经过坐标变换得到两相旋转电流id和iq，id为d轴电流，iq为q轴电流；步骤2，建立电机驱动系统数学模型，如下式所示：φ(s)=(1-e-sTs)e-sTsKps+(1-e-sTs)e-sTsKiLTss3+RTss2+(1-e-sTs)e-sTsKps+(1-e-sTs)e-sTsKi]]>其中，φ(s)为系统闭环传递函数，L为电机电感，R为电机电阻，Kp为PI调节器比例项系数，Ki为PI调节器积分项系数，为采用滞后一拍控制引入的延时，为PWM输出过程等效为零阶保持器的延时，s为拉普拉斯算子；步骤3，以Kp为横轴，Ki为纵轴，建立PI参数平面坐标系，绘制PI参数稳定域，得到Kp和Ki的稳定区间；步骤4，根据频域性能指标相位裕度和幅值裕度A分析系统稳定性，在PI参数平面坐标系中，绘制满足及A>Aexp的期望裕度域，其中为工程中要求的相位裕度下限，Aexp为工程中要求的幅值裕度下限；步骤5，根据时域性能指标超调量δ和调节时间ts分析系统动态性，在步骤
4所得的期望裕度域内，以Kp和Ki为自变量，分别作出以δ和ts为目标函数的三维图；步骤6，在步骤5所得的三维图中进行PI参数寻优，即分析动态性能指标与PI参数的变化关系，以减小δ和ts为目标，整定出最优的PI参数值，作为电机控制器中PI调节器的系数。优选地，步骤3所述的绘制PI参数稳定域的步骤包括以下步骤：(1)根据步骤2所述的系统闭环传递函数φ(s)，系统的频率特性D(jω)函数的表达式如下：D(jω)=-jLTsω3-RTsω2+j(1-e-jωTs)e-jωTsKpω+(1-e-jωTs)e-jωTsKi]]>其中，ω为系统的频率，j为虚数单位；(2)根据步骤(1)所述的频率特性，令D(jω)＝0求稳定边界，在PI参数平面坐标系中，系统的稳定边界B表示如下：B＝B0UBωUB∞其中，B0为ω＝0时的稳定边界，Bω为0<ω<∞时的稳定边界，B∞为ω＝∞时的稳定边界，U表示并集；(3)根据步骤(2)所述的稳定边界B求解PI参数Kp和Ki，设B0得到B∞得到与Kp和Ki无关的解，Bω得到的PI参数表达式为：Kp=LTsω2(cos(ωTs)-cos(2ωTs))+RTsω(sin(ωTs)-sin(2ωTs))2-2cos(ωTs)]]>Ki=LTsω3(sin(2ωTs)-sin(ωTs))+RTsω2(cos(ωTs)-cos(2ωTs))2-2cos(ωTs)]]>(4)根据步骤(3)所述的PI参数表达式，在PI参数平面坐标系内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁同步电机高性能控制器的PI参数整定方法，以图解的方式实现系统稳定性和动态性指标的分析和PI参数多目标优化，所述的PI参数包括PI调节器比例项系数Kp和PI调节器积分项系数Ki，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采样得到离散的三相绕组电流信号，其主频谱幅值衰减为连续信号的Ts为采样周期，三相绕组电流信号经过坐标变换得到两相旋转电流id和iq，id为d轴电流，iq为q轴电流；步骤2，建立电机驱动系统数学模型，如下式所示：φ(s)=(1-e-sTs)e-sTsKps+(1-e-sTs)e-sTsKiLTss3+RTss2+(1-e-sTs)e-sTsKps+(1-e-sTs)e-sTsKi]]>其中，φ(s)为系统闭环传递函数，L为电机电感，R为电机电阻，Kp为PI调节器比例项系数，Ki为PI调节器积分项系数，为采用滞后一拍控制引入的延时，为PWM输出过程等效为零阶保持器的延时，s为拉普拉斯算子；步骤3，以Kp为横轴，Ki为纵轴，建立PI参数平面坐标系，绘制PI参数稳定域，得到Kp和Ki的稳定区间；步骤4，根据频域性能指标相位裕度和幅值裕度A分析系统稳定性，在PI参数平面坐标系中，绘制满足及A>Aexp的期望裕度域，其中为工程中要求的相位裕度下限，Aexp为工程中要求的幅值裕度下限；步骤5，根据时域性能指标超调量δ和调节时间ts分析系统动态性，在步骤4所得的期望裕度域内，以Kp和Ki为自变量，分别作出以δ和ts为目标函数的三维图；步骤6，在步骤5所得的三维图中进行PI参数寻优，即分析动态性能指标与PI参数的变化关系，以减小δ和ts为目标，整定出最优的PI参数值，作为电机控制器中PI调节器的系数。...

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机高性能控制器的PI参数整定方法，以图解的方式实现系统稳定性和动态性指标的分析和PI参数多目标优化，所述的PI参数包括PI调节器比例项系数Kp和PI调节器积分项系数Ki，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采样得到离散的三相绕组电流信号，其主频谱幅值衰减为连续信号的Ts为采样周期，三相绕组电流信号经过坐标变换得到两相旋转电流id和iq，id为d轴电流，iq为q轴电流；步骤2，建立电机驱动系统数学模型，如下式所示：φ(s)=(1-e-sTs)e-sTsKps+(1-e-sTs)e-sTsKiLTss3+RTss2+(1-e-sTs)e-sTsKps+(1-e-sTs)e-sTsKi]]>其中，φ(s)为系统闭环传递函数，L为电机电感，R为电机电阻，Kp为PI调节器比例项系数，Ki为PI调节器积分项系数，为采用滞后一拍控制引入的延时，为PWM输出过程等效为零阶保持器的延时，s为拉普拉斯算子；步骤3，以Kp为横轴，Ki为纵轴，建立PI参数平面坐标系，绘制PI参数稳定域，得到Kp和Ki的稳定区间；步骤4，根据频域性能指标相位裕度和幅值裕度A分析系统稳定性，在PI参数平面坐标系中，绘制满足及A>Aexp的期望裕度域，其中为工程中要求的相位裕度下限，Aexp为工程中要求的幅值裕度下限；步骤5，根据时域性能指标超调量δ和调节时间ts分析系统动态性，在步骤4所得的期望裕度域内，以Kp和Ki为自变量，分别作出以δ和ts为目标
\t函数的三维图；步骤6，在步骤5所得的三维图中进行PI参数寻优，即分析动态性能指标与PI参数的变化关系，以减小δ和ts为目标，整定出最优的PI参数值，作为电机控制器中PI调节器的系数。2.根据权利要求1所述的永磁同步电机高性能控制器的PI参数整定方法，其特征在于，步骤3所述的绘制PI参数稳定域的步骤包括以下步骤：(1)根据步骤2所述的系统闭环传递函数φ(s)，得到频率特性D(jω)的表达式如下：D(jω)=-jLTsω3-RTsω2+j(1-e-jωTs)e-jωTsKpω+(1-e-jωTs)e-jωTsKi]]>其中，ω为系统的频率，j为虚数单位；(2)根据步骤(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，李浩源，李飞，杨淑英，曹朋朋，丁大尉，李曦，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34