永磁伺服系統三閉環調節器的設計

李長兵

（廣州數控設備有限公司，廣東廣州510006）

0 引言

在設計永磁伺服系統三閉環控制器時，設計電流環的主要目標是電流環的響應速度，對電網電壓的抗干擾作用是次要的[1]，因此電流環常采用PI控制。轉速環需要對負載變化起抗擾作用，同時還要兼顧轉速環的響應性能[2]。由于位置環的特殊性，不能出現超調，故一般采用單純的比例控制[3]。

本文介紹了伺服系統三閉環控制器的模型，然后針對轉速的抗擾性能和響應速度，介紹了三種不同的轉速環控制器，通過對比分析了各自的優缺點。在實際生產過程中，可以選擇不同的控制器來解決伺服系統響應速度與抗擾性的問題，使伺服控制系統滿足生產生活控制的要求。

1 伺服系統三閉環模型

永磁伺服系統由內到外分別為電流環、速度環、位置環，其簡化的結構框圖如圖1所示。

圖1 永磁伺服系統結構框圖

圖中，β、α分別為電流環和速度環的反饋系數；θref、θ為給定轉角和實際轉角；APR為位置調節器；ωref、ω為給定轉速和實際轉速；ASR為速度環調節器；Ton、Toi分別為速度環、電流環的濾波時間常數；iqref、iq為給定電流和實際電流；ACR為電流環PI調節器；Ts為逆變器的失控時間；Tl為電磁時間常數；Kt、Ce分別為電磁轉矩系數和反電動勢系數；TL為負載轉矩；J為轉動慣量。

2 永磁伺服系統三閉環控制器的設計

2.1 電流控制器

不考慮反電動勢的影響，電流環結構原理圖如圖2所示。

圖2 電流環結構原理圖

需要注意的是，電流中的諧波分量主要來源于SVPWM逆變器，諧波主要集中在采樣頻率fΔ及fΔ的整數倍附近，所以電流濾波時間常數Toi通常選擇為，其中fΔ為采樣頻率。考慮到電流環的快速響應特性，將調節器的零點和對象中的大的時間常數極點Tl相抵消，即可求得電流控制器的PI參數。

2.2 轉速控制器

由于傳統的PI調節器存在超調大、抗擾性較差等缺點，本文采用了IP調節器，其原理圖如圖3所示。

從控制框圖中可以看出，積分環節保證了系統閉環響應時沒有穩態誤差，同時避免了微分突變的影響。IP形式的轉速調節器是通過犧牲系統的快速性能來提高系統抗擾性能。

速度環采用PI控制器時，調整時間較IP快，但超調較大；雖然速度環采用IP控制器的超調較小，但調整時間較長。為了結合二者的優點，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為輸入的擾動信號。

圖3 IP結構轉速調節器原理圖

PDFF控制器是一種較靈活的速度環控制器，當改變PDFF控制器參數Kvi、Kvp、γ的值時，將構成不同的速度環控制器。當γ=0時，PDFF結構就變成了IP控制器的結構；當γ=1時，控制器類似PI結構；其還可以構成前饋控制器等。

圖4 PDFF速度環控制框圖

2.3 位置控制器

設計位置調節器時，考慮到系統速度響應遠比位置響應快，即位置環截止頻率遠小于速度環各時間常數的倒數，在分析系統時，可以將速度環近似等效成一階慣性環節。速度等效以后，將位置環校正成典型Ⅰ型系統。設位置環比例系數為Kpp，開環傳遞函數為：

由于位置環的特殊性，不能出現超調，阻尼系數ξ=1，即可求出比例系數。

3 系統仿真分析

表1給出了永磁伺服系統電機的相關參數。電流環、轉速環均采用PI結構，位置環采用比例控制，系統仿真框圖如圖5所示。

表1 永磁伺服電機參數表

圖5 三環伺服系統矢量控制仿真框圖

仿真時，位置給定為斜率為10的斜坡信號。圖6～圖8從上到下分別為電流環、轉速環、位置環仿真波形圖，比較不同速度環控制器對電流、轉速、位置的跟蹤效果。在時間t1=0.04 s時加0.5倍的額定負載，觀察電機從空載到負載狀態時的響應效果；系統穩定后，在t2=0.08 s時去掉0.5倍的額定負載，觀察電機從負載狀態到空載的仿真效果。

4 結語

IP控制前向通道需要經過一個積分環節，響應時間較長，但是對干擾系統可以較快地恢復；PI控制的響應速度快于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，在參數設置合適時，其既具有PI的快速性又有IP的抗擾性。

圖6 PI結構三環仿真圖

圖7 IP結構三環仿真圖

圖8 PDFF結構三環仿真圖

[1]阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統 運動控制系統[M].4版.北京：機械工業出版社，2009.

[2]曾孟雄，趙千惠，歐陽文.基于PMSM的三環數控交流伺服系統[J].組合機床與自動化加工技術，2012（5）：45-48.

[3]錢健.永磁同步電機伺服控制系統研究[D].徐州：中國礦業大學，2016.