一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法，涉及永磁电机控制技术领域，包括有PI控制器参数整定以及二阶系统控制法，所述PI控制器参数整定包括以下内容：首先推导出电机模型传递函数和串联结构PI控制模型传递函数，之后将电机模型传递函数的主极点与PI模型传递函数的零点相抵消，本发明专利技术的数学模型计算得到的PI系数下，电流环性能良好，电机转速响应迅速，稳定运行在目标转速值附近，返回的电流值抖动较少，响应迅速，故本发明专利技术的数学模型对于已知参数的电机，可以起到很好的辅助调参作用，如在实际环境中电机存在些许抖动，可以在计算出的PI系数值附近再做调整，对比传统大范围下的经验调参，本发明专利技术可以极大的提升调参效率。的提升调参效率。的提升调参效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法


[0001]本专利技术涉及永磁电机控制
，具体涉及一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法。

技术介绍

[0002]电机的PI参数整定方法是工程整定法，依靠工程经验直接在控制系统的实验中进行整定，包括：试凑法、临界比例法和一般调节法，此方法主要依靠经验的积累，且参数调试范围较大，因此往往整定用时较长。
[0003]但换用不同参数的电机都需要重复此方法再次进行手动整定，无法自适应不同的电机，传统的方式在进行参数调试中过程繁琐，因此本专利技术提供一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法。

技术实现思路

[0004]鉴于上述现有一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法存在的问题，提出了本专利技术，
[0005]因此，本专利技术目的是提供一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法，解决了永磁电机控制的问题，
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法，包括有PI控制器参数整定以及二阶系统控制法，其特征在于，所述PI控制器参数整定包括以下内容：
[0008]首先推导出电机模型传递函数和串联结构PI控制模型传递函数，之后将电机模型传递函数的主极点与PI模型传递函数的零点相抵消，其中PI控制器输入输出表达式为：
[0009]output(t)＝Kp
·
e(t)+Ki
·
∫e(t)r/>[0010]通过对其进行拉普拉斯变换，从而得出：
[0011][0012]从而推导出PI结构传递函数表达式为：
[0013][0014]通过分析电流环系统，需要进行推导电机模型传递函数，在已知旋转d
‑
q坐标系下，则可以得知永磁同步电机两相电压方程如下：
[0015][0016][0017]其中电角速度ω
e
、d
‑
q轴电流i
d
、i
q
为均可测量，其中电感L、磁链ψ
f
均为电机参数，
对永磁同步电机动态方程作进一步优化，得
[0018][0019][0020]其中以d
‑
q轴任一电压－电流方程为例，电机小信号模型为：
[0021][0022]将其进行拉普拉斯变换后可以得知
[0023]u(s)＝Ri(s)+Ls
·
i(s)
[0024]由于电压为系统输入，电流为系统输出，故推导出电机模型的传递函数为：
[0025]优选地，所述PI控制器参数整定的FOC控制时间周期设置为50us，根据拉普拉斯变换可得修正后的电机模型传递函数为：
[0026][0027]通过将时间常数τ设为50us，数值很小可以将其约等于即电机模型传递函数为：
[0028][0029]将PI控制器模型和电机模型结合起来，构成一个由两个一节惯性环节组成的传递函数，从q轴为例等效传递函数：
[0030][0031]其中i
q*
(s)为电流目标值的拉氏变换，i
q
(s)为电流测量值的拉氏变换。
[0032]优选地，所述PI控制器参数整定中有一个零点和两个极点，通过将零点与主极点相抵消使电机模型成为一阶系统，故零极点相消的条件为：
[0033][0034]抵消后的系统开环传递函数G
loop
(s)表达式为
[0035][0036]而此式为典型I型系统，通过代入闭环增益公式，化简后得到
[0037][0038]优选地，二阶系统控制法通过二阶系统传递函数的典型结构，转换后的表达式如下：
[0039][0040]将其算式与
[0041][0042]进行联立，从而得出
[0043][0044]通过选取工程阻尼比ξ的数值，从而得到电流环PI控制系数；
[0045][0046]通过对电机模型的主极点和PI控制模型的零点进行零极点相消，避免电机系统存在二阶复极点，从而使PI控制器和电机两部分组合后的完整系统成为一个二阶系统，通过与典型的二阶传递函数比对，选取最佳工程阻尼比ξ时系统综合性能最优，联立等式推导出Kp和Ki的表达式，从而得出对此数学模型进行仿真，测试由推导公式计算出的Kp、Ki值在电机控制系统中的性能，仿真流程搭建。
[0047]1、本专利技术的数学模型计算得到的PI系数下，电流环性能良好，电机转速响应迅速，稳定运行在目标转速值附近，返回的电流值抖动较少，响应迅速，故本专利技术的数学模型对于已知参数的电机，可以起到很好的辅助调参作用，如在实际环境中电机存在些许抖动，可以在计算出的PI系数值附近再做调整，对比传统大范围下的经验调参，本专利技术可以极大的提升调参效率。
[0048]2、本专利技术从提高调参效率和自适应性的角度出发，设计数学模型将PI控制器参数整定和二阶系统最优控制法结合，实现PI参数自动整定，模型分为三个步骤，首先推导出电机模型传递函数和串联结构PI控制模型传递函数，之后将电机模型传递函数的主极点与PI模型传递函数的零点相抵消，使二阶系统变为一阶系统，最后利用二阶系统最佳阻尼比计算出K
p
和K
i
的取值，算法可以避免经验调参，减少手动调参的繁琐工作量，提升调试效率，代入合适的电机参数，选择合适的电流环带宽，可以兼容不同电机，从而提高代码的自适应性，算法复杂度不高，并且在硬件上基于cortex
‑
m0内核实现。
附图说明
[0049]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0050]图1为本专利技术的PI控制器结构示意图；
[0051]图2为本专利技术的PI控制器与电机模型示意图；
[0052]图3为本专利技术的二阶系统传递函数的典型结构示意图；
[0053]图4为本专利技术的电流环PI控制的FOC结构示意图；
[0054]图5为本专利技术的设置PI参数后电机转速示意图；
[0055]图6为本专利技术的设置PI参数后电流采样值示意图。
具体实施方式
[0056]为了使本领域的技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细介绍。
[0057]本专利技术实施例公开一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法。
[0058]本专利技术提供了如图1
‑
6所示的一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法，包括有PI控制器参数整定以及二阶系统控制法，所述PI控制器参数整定包括以下内容：
[0059]首先推导出电机模型传递函数和串联结构PI控制模型传递函数，之后将电机模型传递函数的主极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法，包括有PI控制器参数整定以及二阶系统控制法，其特征在于，所述PI控制器参数整定包括以下内容：首先推导出电机模型传递函数和串联结构PI控制模型传递函数，之后将电机模型传递函数的主极点与PI模型传递函数的零点相抵消，其中PI控制器输入输出表达式为：output(t)＝Kp
·
e(t)+Ki
·
∫e(t)通过对其进行拉普拉斯变换，从而得出：从而推导出PI结构传递函数表达式为：通过分析电流环系统，需要进行推导电机模型传递函数，在已知旋转d
‑
q坐标系下，则可以得知永磁同步电机两相电压方程如下：可以得知永磁同步电机两相电压方程如下：其中电角速度ω
e
、d
‑
q轴电流i
d
、i
q
为均可测量，其中电感L、磁链ψ
f
均为电机参数，对永磁同步电机动态方程作进一步优化，得磁同步电机动态方程作进一步优化，得其中以d
‑
q轴任一电压－电流方程为例，电机小信号模型为：将其进行拉普拉斯变换后可以得知u(s)＝Ri(s)+Ls
·
i(s)由于电压为系统输入，电流为系统输出，故推导出电机模型的传递函数为：2.根据权利要求1所述的一种基于已知电机参数的PI控制器系数自整定算法，其特征在于，所述PI控制器参数整定的FOC控制时间周期设...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴德钦，冉启海，王明江，
申请(专利权)人：深圳市宇思半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：