李長(zhǎng)兵

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東廣州510006）

0 引言

在設(shè)計(jì)永磁伺服系統(tǒng)三閉環(huán)控制器時(shí)，設(shè)計(jì)電流環(huán)的主要目標(biāo)是電流環(huán)的響應(yīng)速度，對(duì)電網(wǎng)電壓的抗干擾作用是次要的[1]，因此電流環(huán)常采用PI控制。轉(zhuǎn)速環(huán)需要對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用，同時(shí)還要兼顧轉(zhuǎn)速環(huán)的響應(yīng)性能[2]。由于位置環(huán)的特殊性，不能出現(xiàn)超調(diào)，故一般采用單純的比例控制[3]。

本文介紹了伺服系統(tǒng)三閉環(huán)控制器的模型，然后針對(duì)轉(zhuǎn)速的抗擾性能和響應(yīng)速度，介紹了三種不同的轉(zhuǎn)速環(huán)控制器，通過(guò)對(duì)比分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以選擇不同的控制器來(lái)解決伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度與抗擾性的問(wèn)題，使伺服控制系統(tǒng)滿足生產(chǎn)生活控制的要求。

1 伺服系統(tǒng)三閉環(huán)模型

永磁伺服系統(tǒng)由內(nèi)到外分別為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)，其簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 永磁伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖中，β、α分別為電流環(huán)和速度環(huán)的反饋系數(shù)；θref、θ為給定轉(zhuǎn)角和實(shí)際轉(zhuǎn)角；APR為位置調(diào)節(jié)器；ωref、ω為給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速；ASR為速度環(huán)調(diào)節(jié)器；Ton、Toi分別為速度環(huán)、電流環(huán)的濾波時(shí)間常數(shù)；iqref、iq為給定電流和實(shí)際電流；ACR為電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器；Ts為逆變器的失控時(shí)間；Tl為電磁時(shí)間常數(shù)；Kt、Ce分別為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)和反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2 永磁伺服系統(tǒng)三閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

2.1 電流控制器

不考慮反電動(dòng)勢(shì)的影響，電流環(huán)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 電流環(huán)結(jié)構(gòu)原理圖

需要注意的是，電流中的諧波分量主要來(lái)源于SVPWM逆變器，諧波主要集中在采樣頻率fΔ及fΔ的整數(shù)倍附近，所以電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi通常選擇為，其中fΔ為采樣頻率。考慮到電流環(huán)的快速響應(yīng)特性，將調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)和對(duì)象中的大的時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)Tl相抵消，即可求得電流控制器的PI參數(shù)。

2.2 轉(zhuǎn)速控制器

由于傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器存在超調(diào)大、抗擾性較差等缺點(diǎn)，本文采用了IP調(diào)節(jié)器，其原理圖如圖3所示。

從控制框圖中可以看出，積分環(huán)節(jié)保證了系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)時(shí)沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)避免了微分突變的影響。IP形式的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是通過(guò)犧牲系統(tǒng)的快速性能來(lái)提高系統(tǒng)抗擾性能。

速度環(huán)采用PI控制器時(shí)，調(diào)整時(shí)間較IP快，但超調(diào)較大；雖然速度環(huán)采用IP控制器的超調(diào)較小，但調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)。為了結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，速度控制器可采用PDFF速度控制器，其控制框圖如圖4所示，圖中Td為輸入的擾動(dòng)信號(hào)。

圖3 IP結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖

PDFF控制器是一種較靈活的速度環(huán)控制器，當(dāng)改變PDFF控制器參數(shù)Kvi、Kvp、γ的值時(shí)，將構(gòu)成不同的速度環(huán)控制器。當(dāng)γ=0時(shí)，PDFF結(jié)構(gòu)就變成了IP控制器的結(jié)構(gòu)；當(dāng)γ=1時(shí)，控制器類似PI結(jié)構(gòu)；其還可以構(gòu)成前饋控制器等。

圖4 PDFF速度環(huán)控制框圖

2.3 位置控制器

設(shè)計(jì)位置調(diào)節(jié)器時(shí)，考慮到系統(tǒng)速度響應(yīng)遠(yuǎn)比位置響應(yīng)快，即位置環(huán)截止頻率遠(yuǎn)小于速度環(huán)各時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)，在分析系統(tǒng)時(shí)，可以將速度環(huán)近似等效成一階慣性環(huán)節(jié)。速度等效以后，將位置環(huán)校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)。設(shè)位置環(huán)比例系數(shù)為Kpp，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

由于位置環(huán)的特殊性，不能出現(xiàn)超調(diào)，阻尼系數(shù)ξ=1，即可求出比例系數(shù)。

3 系統(tǒng)仿真分析

表1給出了永磁伺服系統(tǒng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)。電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)均采用PI結(jié)構(gòu)，位置環(huán)采用比例控制，系統(tǒng)仿真框圖如圖5所示。

表1 永磁伺服電機(jī)參數(shù)表

圖5 三環(huán)伺服系統(tǒng)矢量控制仿真框圖

仿真時(shí)，位置給定為斜率為10的斜坡信號(hào)。圖6～圖8從上到下分別為電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)、位置環(huán)仿真波形圖，比較不同速度環(huán)控制器對(duì)電流、轉(zhuǎn)速、位置的跟蹤效果。在時(shí)間t1=0.04 s時(shí)加0.5倍的額定負(fù)載，觀察電機(jī)從空載到負(fù)載狀態(tài)時(shí)的響應(yīng)效果；系統(tǒng)穩(wěn)定后，在t2=0.08 s時(shí)去掉0.5倍的額定負(fù)載，觀察電機(jī)從負(fù)載狀態(tài)到空載的仿真效果。

4 結(jié)語(yǔ)

IP控制前向通道需要經(jīng)過(guò)一個(gè)積分環(huán)節(jié)，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，但是對(duì)干擾系統(tǒng)可以較快地恢復(fù)；PI控制的響應(yīng)速度快于IP控制器，但抗干擾性能不及IP控制器；因此，將PDFF控制器引入永磁交流伺服系統(tǒng)，在參數(shù)設(shè)置合適時(shí)，其既具有PI的快速性又有IP的抗擾性。

圖6 PI結(jié)構(gòu)三環(huán)仿真圖

圖7 IP結(jié)構(gòu)三環(huán)仿真圖

圖8 PDFF結(jié)構(gòu)三環(huán)仿真圖

[1]阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]曾孟雄，趙千惠，歐陽(yáng)文.基于PMSM的三環(huán)數(shù)控交流伺服系統(tǒng)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（5）：45-48.

[3]錢(qián)健.永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2016.