林建洪，方麗芳(1.莆田學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 莆田 51100 ；2.福建省激光精密加工工程技術(shù)研究中心，福建 莆田 51100；. 莆田華僑職業(yè)中專學(xué)校，福建 莆田 51117)

一種新型永磁同步電動機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

林建洪1,2，方麗芳3
(1.莆田學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 莆田 351100 ；2.福建省激光精密加工工程技術(shù)研究中心，福建 莆田 351100；3. 莆田華僑職業(yè)中專學(xué)校，福建 莆田 351117)

為改善交流伺服系統(tǒng)的性能，提出一種新型永磁同步電動機伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。位置控制器采用PI型，速度閉環(huán)中僅采用一個可調(diào)的速度反饋系數(shù)。在速度動態(tài)中，由于沒有積分作用，不會出現(xiàn)速度環(huán)飽和現(xiàn)象，速度環(huán)始終處于閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中。仿真和實驗結(jié)果表明：在系統(tǒng)極點配置一樣的情況下，新型結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)位置跟蹤的幅值誤差和相位誤差均比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)小。

交流伺服；新型結(jié)構(gòu)；極點配置

1 新型伺服控制策略結(jié)構(gòu)及其分析

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)的組成和控制框圖分別如圖1、圖2所示，由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成[1-3]。

圖1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)的組成 圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)框圖

假設(shè)電流控制系統(tǒng)的截止頻率已達到速度控制系統(tǒng)截止頻率的5倍以上，可以忽略電流環(huán)控制誤差，認為其閉環(huán)傳遞函數(shù)為1[4]。由圖1可知，位置開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為式(1)、式(2)：

(1)

(2)

該控制系統(tǒng)的典型特點在于速度環(huán)采用PI控制器，在速度動態(tài)過程中速度PI可能會進入飽和狀態(tài)，使得速度失去閉環(huán)跟蹤調(diào)節(jié)作用。位置環(huán)采用P調(diào)節(jié)器，若要在動態(tài)中消除位置動態(tài)跟蹤誤差，必須取足夠大的比例系數(shù)，但為了滿足位置閉環(huán)穩(wěn)定性要求，比例系數(shù)又不宜選擇太大，這樣造成位置控制動態(tài)性能要求和穩(wěn)態(tài)性能要求矛盾。

為了解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中位置閉環(huán)中動態(tài)性能要求和穩(wěn)態(tài)性能要求矛盾問題。本文提出一種新型的伺服控制結(jié)構(gòu)，其控制系統(tǒng)組成如圖2所示，其中位置控制器采用PI型，速度閉環(huán)中僅存在速度反饋系數(shù)一個可調(diào)系數(shù)。在速度動態(tài)中，由于沒有積分作用，不會出現(xiàn)速度環(huán)飽和現(xiàn)象，速度環(huán)始終處于閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中。

圖3 新型結(jié)構(gòu)伺服控制系統(tǒng)組成

圖3所示的新型結(jié)構(gòu)伺服控制系統(tǒng)所對應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。其中kw為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，kpθ、τθ分別為位置控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

圖4 新型結(jié)構(gòu)伺服控制系統(tǒng)

由圖4可知：系統(tǒng)的位置開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為式(3)、式(4)：

(3)

(4)

若圖2所示的系統(tǒng)和圖4所示的系統(tǒng)在極點配置一樣的情況下，可得式(2)和式(4)有關(guān)數(shù)學(xué)關(guān)系：

(5)

實際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt為0.098，轉(zhuǎn)動慣量Jm為6×10-5kg·m2，工程參數(shù)整定[5]可取

(6)

則傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)位置開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(7)

將式(6)代入式(5)可得：

(8)

則新型結(jié)構(gòu)伺服控制系統(tǒng)位置開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(9)

圖5 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)位置環(huán)的bode圖 圖6 新型結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)位置環(huán)的bode圖

2 仿真研究

為了驗證上述理論，利用Matlab中Simulink模塊對系統(tǒng)進行建模仿真?？刂浦芷跒?0 μs，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)位置伺服系統(tǒng)的速度控制器比例系數(shù)和積分系統(tǒng)分別為0.1和0.53，位置控制器比例系數(shù)為100，根據(jù)式(5)可得新型結(jié)構(gòu)位置伺服系統(tǒng)的速度反饋系數(shù)為0.1，位置控制器比例系數(shù)和積分系統(tǒng)分別為10.53和53，電流控制器的參數(shù)取同樣值，仿真波形如圖7和圖8所示。其中位置給定為10 sin(2 πf)，由圖7和圖8對比可知：在系統(tǒng)極點配置一樣的情況下,新型結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)位置跟蹤的幅值誤差和相位誤差均比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)位置跟蹤的幅值誤差和相位誤差小。

圖7 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)f=20 Hz時位置響應(yīng)波形 圖8 新型結(jié)構(gòu)f=20 Hz時位置響應(yīng)波形

3 實驗研究

實驗硬件系統(tǒng)是以TI公司TMS320F2808DSP為核心構(gòu)成的，采用額定功率為370 W、額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的永磁同步電動機作為控制對象。對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和新型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分別做位置給定為2 500 sin(2 πf)的位置跟蹤實驗，如圖9～圖12所示。其中圖9傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)速度控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)分別取0.1和0.000 2，位置控制器比例系數(shù)取0.1。在極點配置一下情況下，根據(jù)公式(5)可得新型結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)速度反饋系數(shù)取0.1，位置控制器比例系數(shù)和積分系數(shù)分別取0.010 2和0.000 02。圖11傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)速度控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)分別取0.1和0.000 2，位置控制器比例系數(shù)取0.2，則對應(yīng)的新型結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)速度反饋系數(shù)取0.1，位置控制器比例系數(shù)和積分系數(shù)分別取0.020 2和0.000 04。由圖9、圖10和圖11、圖12對比可知：在系統(tǒng)極點配置一樣的情況下，新型結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)位置跟蹤的幅值誤差和相位誤差均比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)小，特別是新型結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)位置跟蹤誤差很小。

圖9 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)f=2.5 Hz時位置響應(yīng)波形 圖10 新型結(jié)構(gòu)f=2.5 Hz時位置響應(yīng)波形

圖11 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)f=2 Hz時位置響應(yīng)波形 圖12 新型結(jié)構(gòu)f=2 Hz時位置響應(yīng)波形

4 結(jié)論

提出并研究了一種新型永磁同步電動機伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，其中位置控制器采用PI型，速度閉環(huán)中僅存在速度反饋系數(shù)一個可調(diào)系數(shù)。仿真和實驗結(jié)果表明：在系統(tǒng)極點配置一樣的情況下，新型結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)位置跟蹤的幅值誤差和相位誤差均比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)小。

[1] Ntogramatzidis L, Ferrante A. Exact tuning of pid controllers in control feedback design[J]. Control Theory & Applications, IET, 2011, 5(4): 565-578.

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[3] 王宏，于泳，徐殿國．永磁同步電動機位置伺服系統(tǒng)[J]．中國電機工程學(xué)報，2004，24(7):151-155．

[4] 吉智，何鳳有．永磁同步電機運行性能研究[J]. 機械設(shè)計與制造，2012，23(3):234-236.

[5] 陳伯時.交流調(diào)速系統(tǒng)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1998.

Design of a novel permanent magnet synchronous motor servo control system

LIN Jian-hong1,2, FANG Li-fang3
(1.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,PutianUniversity,Putian351100,China; 2.KeyLaboratoryofModernPrecisionMeasurementandLaserNondestructiveDetectioninFujianProvince,Putian351100,China; 3.FujianPutianHuaqiaoVocationalSecondarySchool,Putian351117,China)

In order to improve the performance of AC servo system, this paper presents a new control system of permanent magnet synchronous motor servo system.The position controller adopts PI type, and only one adjustable speed feedback coefficient is adopted in the speed loop. Therefore, in the speed of dynamic, there will be no saturation of the velocity loop because there is no integral effect,and the speed loop is always in the process of closed-loop regulations. The simulation and experimental results show that the new structure of position tracking servo system of the amplitude error and phase error are smaller than the traditional structure of position tracking servo system of the amplitude error and phase error in the case of the same system pole assignment the system poles of the same situation.

AC servo; new structure; pole configuration

2017-03-01

莆田市科技計劃項目(2016G2022)；福建省高校重點實驗室開放基金項目(s20150402)；莆田學(xué)院校級科研項目(2015030)

林建洪(1986—)，男，福建莆田人，碩士，講師。

1674-7046(2017)02-0088-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.016

TM341

A