基于慣量辨識的永磁同步電機自整定調(diào)速系統(tǒng)

岳 勇 林 勇 溫陽東

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009)

基于慣量辨識的永磁同步電機自整定調(diào)速系統(tǒng)

岳 勇 林 勇 溫陽東

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009)

將慣量辨識引入永磁同步電機速度環(huán)控制中，在慣量發(fā)生變化的條件下，基于慣量辨識自動調(diào)節(jié)控制參數(shù)來保證系統(tǒng)性能，從而達到自整定的目的。實驗結(jié)果表明自整定方案不僅能保證交流伺服系統(tǒng)的控制性能，而且增強了交流伺服系統(tǒng)的智能性和適應(yīng)性。

永磁同步電機 慣量辨識 控制參數(shù) 自整定

在現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)中，永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及方便維護等優(yōu)點，在工業(yè)自動化領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。為實現(xiàn)永磁同步電機的高性能控制，近些年各種非線性控制方案相繼出現(xiàn)，如滑模控制[2]、混沌控制[3]及自抗擾控制[4]等。但是這些控制器往往較復(fù)雜，限制了在實際中的應(yīng)用[5]。而傳統(tǒng)的PI控制結(jié)構(gòu)簡單，易于理解和掌握，在保證一定控制精度的同時，參數(shù)調(diào)節(jié)非常方便。但是由于永磁同步電動機本身是一個具有耦合的非線性對象[6]，應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，并且容易受到干擾的影響，所以PI控制器不能滿足高精度控制要求。

為了達到較高的性能要求，PI參數(shù)在其中起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)速度或者負(fù)載發(fā)生變化時，高效的動態(tài)響應(yīng)和電機參數(shù)良好的魯棒性是十分必要的[7,8]。速度控制特性依賴于速度控制系統(tǒng)參數(shù)選擇得是否合理，所以尋找合適的PI參數(shù)去滿足伺服系統(tǒng)控制就顯得十分必要。在這種情況下知道整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量[9](包括電機本身和負(fù)載)是非常重要的，控制系統(tǒng)的特性是隨著負(fù)載變化而變化的，而一旦轉(zhuǎn)動慣量被準(zhǔn)確辨識出，控制器的參數(shù)就可以進行整定以補償轉(zhuǎn)動慣量的變化，系統(tǒng)的性能就可以提高。

筆者設(shè)計一種能自動識別轉(zhuǎn)動慣量，并據(jù)此對系統(tǒng)控制器參數(shù)進行自動調(diào)整的控制器。該控制器不僅能夠提高交流伺服系統(tǒng)的控制性能，而且增強了交流伺服系統(tǒng)對工況變化的智能性和適應(yīng)性。

1 永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型

在不影響控制性能的前提下，忽略磁滯渦流和磁路飽和的影響，并作一些理想化的假設(shè)，永磁同步電機在d-q坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型[10]為：

(1)

其中，ud、uq為電樞電壓分量；R為電樞繞組電阻；ψd、ψq為d-q坐標(biāo)系中定子磁鏈分量，滿足ψd=Ldid+ψf,ψq=Lqiq，ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈，id、iq為d-q坐標(biāo)系中電樞電流分量，Ld、Lq為d-q坐標(biāo)系中等效電樞電感，對于表貼式電機滿足Ld=Lq=L；B為電磁感應(yīng)強度；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；np為電機極對數(shù)；ω為電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率。

2 永磁同步電機自適應(yīng)控制方案

為了抑制負(fù)載的擾動和變化(轉(zhuǎn)動慣量)，對速度環(huán)控制器進行了設(shè)計。利用一種基于擾動轉(zhuǎn)矩觀測器的慣量辨識算法[11,12]辨識出電機、聯(lián)軸器和負(fù)載總的等效轉(zhuǎn)動慣量，然后按照查表方法自動整定速度環(huán)PID控制器參數(shù)，從而使系統(tǒng)不需要人工調(diào)節(jié)PID參數(shù)，能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，滿足系統(tǒng)要求的性能?；趹T量辨識的交流伺服系統(tǒng)自適應(yīng)PID控制原理如圖1所示。

圖1 基于慣量辨識的交流伺服系統(tǒng)自適應(yīng)PID控制原理

3 基于轉(zhuǎn)矩擾動觀測器的慣量辨識

已知電機運動的狀態(tài)方程為：

(2)

(3)

(4)

由慣量變化量和式(3)得：

(5)

引入變量q2滿足：

(6)

則整理式(5)得：

(7)

給出一個周期為T的速度指令測試信號：

ω*(t)=ω*(t-T)

(8)

(9)

(10)

則慣量為：

(11)

4 基于擾動觀測器的速度環(huán)PI自整定控制器

交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)被控對象為：

(12)

式中K——電磁場數(shù)，K=npψf。

速度環(huán)PI控制器的傳遞函數(shù)為：

(13)

速度環(huán)特征方程為：Js2+(B+KKP)s+KKI=0，如果系統(tǒng)閉環(huán)極點為(-a,-b)，則系統(tǒng)特征方程可以改寫為：

J(s+a)(s+b)=0

(14)

比較式(13)、(14)，易得出：

(15)

當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量較大時，近似為：

(16)

可以看出，KP、KI與J成正比。

5 實驗結(jié)果

基于以上結(jié)論，首先在電機不帶慣量盤時，調(diào)出一組較好的KP、KI參數(shù)，然后當(dāng)電機帶上慣量盤，先估計出此時的慣量，將之前的KP、KI參數(shù)乘以相應(yīng)的倍數(shù)。

由于篇幅限制，筆者僅給出系統(tǒng)外帶5倍慣量盤、10倍慣量盤和20倍慣量盤在3種不同轉(zhuǎn)速下，自整定前后動態(tài)穩(wěn)態(tài)測試結(jié)果(表1)。其中永磁同步電機額定轉(zhuǎn)速為nN，電機啟動至轉(zhuǎn)速第一次達到0.9nN所經(jīng)歷的時間，稱為上升時間1；電機啟動至轉(zhuǎn)速第一次達到nN所經(jīng)歷的時間，稱為上升時間2。

表1 自整定前、后動態(tài)、穩(wěn)態(tài)測試結(jié)果

由表1可以看出，經(jīng)過PI參數(shù)自整定后，系統(tǒng)動態(tài)性能有了明顯的提升，對于負(fù)載擾動和變化的工況(轉(zhuǎn)動慣量)抑制能力有了本質(zhì)的改善。自整定后的電機無論是動態(tài)性能還是靜態(tài)性能，都較自整定前的普通PI算法提高了很多。

6 結(jié)束語

筆者針對轉(zhuǎn)動慣量變化大的應(yīng)用場合，設(shè)計能對系統(tǒng)控制器參數(shù)進行自動調(diào)整的永磁同步電機控制系統(tǒng)。利用一種基于擾動轉(zhuǎn)矩觀測器的慣量辨識算法，辨識出電機、聯(lián)軸器和負(fù)載總的等效轉(zhuǎn)動慣量，然后按照查表方法自動整定速度環(huán)PID控制器參數(shù)，使系統(tǒng)不需要人工調(diào)節(jié)PID參數(shù)，能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。實驗結(jié)果證明了改進方案的有效性。

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Auto-tuningSpeedControlSystemforPermanentMagnetSynchronousMotorsBasedonInertiaIdentification

YUE Yong, LIN Yong, WEN Yang-dong

(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Inertia identification was introduced into the speed loop control of the permanent magnet synchronous motors. When the inertia varies, having the inertial identification based to adjust the control parameters automatically and to ensure system performance as well as to achieve auto-tuning purposes was implemented. Experimental results show that auto-tuning scheme can ensure control performance and enhance both intelligence and adaptability of the AC servo system.

permanent magnet synchronous motor, inertia identification, control parameters, auto-tuning

TH865

A

1000-3932(2016)03-0232-04

2016-01-18(修改稿)