基于QFT的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)PID控制器的設(shè)計(jì)

劉 冬,李浩東,何焯毅,羅偉維

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(PMSM)因其體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功率因素大、轉(zhuǎn)動慣量小以及易控制等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、航空航天、汽車以及機(jī)器人等領(lǐng)域[1]。PMSM伺服系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量會因環(huán)境的改變而發(fā)生變化，進(jìn)而影響伺服系統(tǒng)的控制性能。因此，為了獲得良好的控制性能，有必要提升系統(tǒng)的魯棒性來抑制轉(zhuǎn)動慣量變化給系統(tǒng)帶來的不良影響。

當(dāng)PMSM伺服系統(tǒng)在運(yùn)行過程中負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變動時(shí)，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)會受到影響。當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量增大時(shí)，系統(tǒng)加速度會減小，從而使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間增大，甚至?xí)霈F(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象；轉(zhuǎn)動慣量減小時(shí)，系統(tǒng)加速度會增加，而使系統(tǒng)的超調(diào)增大，甚至可能會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象[1]。傳統(tǒng)的PI控制器的參數(shù)整定使用的是轉(zhuǎn)動慣量的初始值，并未考慮系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變化的情況。當(dāng)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變動時(shí)，其控制性能會受到一定的影響。因此，對于伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量變化這一問題，有必要采取有效可靠的方法來抑制其帶來的不良影響。

國內(nèi)外學(xué)者對系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量變化所帶來的影響的抑制提出了許多解決方法，主要有滑?？刂芠2-3]、自適應(yīng)控制[4-7]、智能控制[8]和魯棒控制[9-10]等。文獻(xiàn)[2-3]均使用自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)的速度控制方法，通過模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)辨識出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，然后將辨識后的值應(yīng)用于滑?？刂?SMC)中，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，并抑制了慣量擾動的影響。但該方法實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，且控制性能與辨識精度有關(guān)。在[4-5]中作者通過辨識方法在線辨識轉(zhuǎn)動慣量，然后將辨識后的值給PI控制器，得到了可以依據(jù)轉(zhuǎn)動慣量變化在線改變參數(shù)的自適應(yīng)PI控制器，提升了系統(tǒng)的魯棒性。文獻(xiàn)[6]將模糊推理與積分反步控制結(jié)合，能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差和變化率自調(diào)整增益，提高了系統(tǒng)對內(nèi)部參數(shù)攝動的魯棒性，但該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于工程實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]通過梯度下降法在線調(diào)整PID控制器的增益，能有效處理系統(tǒng)參數(shù)不確定性的問題，但其收斂的快慢對系統(tǒng)的性能有一定的影響。在文獻(xiàn)[8]中作者提出了一種基于直接電壓控制的自適應(yīng)徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制策略，該方法無需電流控制回路，且對系統(tǒng)參數(shù)攝動具有較好的魯棒性，但該方案的實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜。文獻(xiàn)[9]中利用H∞控制理論設(shè)計(jì)魯棒控制器，提升了系統(tǒng)的魯棒性，但該方法設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要一定的理論基礎(chǔ)，不利于實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]將定量反饋理論(QFT)與H∞控制理論結(jié)合，有效抑制了轉(zhuǎn)動慣量的擾動，但該方法設(shè)計(jì)的控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合工程應(yīng)用。

以上文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜或者設(shè)計(jì)的控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用困難。本文在考慮實(shí)際應(yīng)用的前提下，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的變化考慮在內(nèi)，運(yùn)用QFT，設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，在Nichols圖上合成魯棒控制器。最后通過仿真以及試驗(yàn)，論述了本文所提方案的有效性和可行性。

1 QFT

1.1 簡 介

QFT是由以色列教授Horowitz在20世紀(jì)60年代初提出的[11]。起初由于其大量復(fù)雜的計(jì)算而未受到太多的關(guān)注，而后由于計(jì)算機(jī)和工具包的快速發(fā)展才得以廣泛應(yīng)用。

QFT是一種頻域的設(shè)計(jì)方法，將經(jīng)典控制理論中的頻域校正思想推廣應(yīng)用到了對不確定性系統(tǒng)的魯棒控制率設(shè)計(jì)，將對象的不確定性用定量的形式在Nichols圖上形成邊界，進(jìn)而設(shè)計(jì)控制器[12]。

基于QFT的控制系統(tǒng)通常為二自由度控制系統(tǒng)，其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 QFT控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中,R(s)、Y(s)和D(s)分別為給定輸入、輸出和擾動輸入信號，F(xiàn)(s)和G(s)分別為預(yù)置濾波器和控制器，P(s)為被控對象。

1.2 QFT魯棒控制器設(shè)計(jì)步驟

1.2.1 建立標(biāo)稱模板

將控制對象的不確定性考慮在內(nèi)建立不確定性模型，得控制對象的集合P(s)，選取能夠表現(xiàn)出對象不確定性的頻率集合ω=ωi,(i=1,2,…,n)，然后將P(s)繪制于Nichols圖中即可得對象模板，取參數(shù)變化量的標(biāo)稱值即得標(biāo)稱模板，標(biāo)稱值的選取一般不做特殊要求。特定頻率下標(biāo)稱模板的示例如圖2所示。

圖2中“○”圍起來的區(qū)域體現(xiàn)出對象的不確定性，該區(qū)域越大，不確定性越大?！啊痢贝磉x取的標(biāo)稱值，0.5代表所選取的頻率值。

圖2 Nichols示例

1.2.2 設(shè)定性能指標(biāo)

通過設(shè)定期望的性能指標(biāo)可以獲得期望的控制性能。常用的性能指標(biāo)有魯棒穩(wěn)定裕度指標(biāo)、抗擾動指標(biāo)以及參考跟蹤指標(biāo)等。

魯棒穩(wěn)定裕度指標(biāo)為

(1)

式中：δ1(ω)為期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)上限。

通過設(shè)定其幅值Ws即可獲得期望的幅值裕度Mg和相位裕度Mp，其關(guān)系式如下：

(2)

抗輸入擾動指標(biāo)為

(3)

式中：δ2(ω)為輸入擾動傳遞函數(shù)的期望上限，既可為常數(shù)，亦可傳遞函數(shù)。

傳遞函數(shù)可取：

(4)

式中:ζ2和ωn2分別為阻尼比和自然頻率;K2為一次項(xiàng)系數(shù)，與擾動幅值的抑制有關(guān)，該值越大，對擾動的抑制越弱，反之則越強(qiáng)。

參考跟蹤指標(biāo)包含上邊界δup(ω)和下邊界δlo(ω)，如下：

(5)

其中,上下邊界常取標(biāo)準(zhǔn)的二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)，并在上下邊界分別加入遠(yuǎn)離虛軸的零點(diǎn)和極點(diǎn)，以擴(kuò)大在高頻輸出的設(shè)計(jì)范圍，上下邊界限制分別如下：

(6)

(7)

式中：z和p分別為遠(yuǎn)離虛軸的零極點(diǎn);ωn_p和ωn_l分別為上下邊界的自然頻率;ζp和ζl分別為上下邊界的阻尼比，且ζp<1，ζl≥1。

1.2.3 合成性能邊界

求解不等式(1)、式(3)和式(5)可得G(s)幅值的取值范圍，在-360°～0°之間按比例選取其相位值，與P(s)的幅值相乘、相位相加即可得開環(huán)傳遞函數(shù)L(s)的幅值和相位，將該幅值、相位與設(shè)定的頻率集ωi繪制于Nichols圖上可得合成控制器所需的性能邊界。

1.2.4 控制器設(shè)計(jì)

通過給G(s)調(diào)整增益、加入零極點(diǎn)等環(huán)節(jié)，使得開環(huán)頻率響應(yīng)曲線在Nichols圖中的ωi處高于性能邊界即可。

1.2.5 預(yù)置濾波器設(shè)計(jì)

與控制器的設(shè)計(jì)同理，同樣給F(s)添加零極點(diǎn)等環(huán)節(jié)。若閉環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖處于參考跟蹤指標(biāo)的Bode圖之中，則F(s)設(shè)計(jì)合理。

2 PID控制器的設(shè)計(jì)

2.1 性能邊界生成

2.1.1 標(biāo)稱模板的建立

PMSM伺服系統(tǒng)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PMSM伺服系統(tǒng)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖

其中，ωref(s)和ωm(s)分別為給定和輸出轉(zhuǎn)速，ASR為轉(zhuǎn)速控制器，ACR為電流控制器(本文為PI控制器)，Ks、Kt、Rs、J、B和TL分別為功率變換器放大倍數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)、定子電阻、轉(zhuǎn)動慣量、黏滯摩擦系數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Ts、Tl、Ttf1、Ttf2、Tcf和Tsf分別為功率變換器延時(shí)時(shí)間、電磁時(shí)間常數(shù)、電流采樣延時(shí)時(shí)間、測速延遲時(shí)間、電流濾波時(shí)間常數(shù)和速度濾波時(shí)間常數(shù)，α和β分別為速度環(huán)反饋系數(shù)和電流環(huán)反饋系數(shù)。

將電流環(huán)等效為一階慣性環(huán)節(jié)，因此速度環(huán)的控制對象為

(8)

式中：T∑n為等效時(shí)間常數(shù)，T∑n=Ttf2+Tsf+1/KI;KI為電流環(huán)增益;系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量取值為J∈[0.001,0.01]，取轉(zhuǎn)動慣量標(biāo)稱值為電機(jī)本體轉(zhuǎn)動慣量J0，即J=J0=0.001 25，此時(shí)式(8)為標(biāo)稱模型。頻率集ωi選取為ωi=[0.1 0.3 0.6 1 4 10 20 50 100 200 500 1 000 2 000]rad/s。

將標(biāo)稱模型與ωi繪制于Nichols即為標(biāo)稱模板，如圖4所示。

圖4 被控對象模板

圖4中“○”表示的為被控對象的取值，“×”表示的即為標(biāo)稱模板。

2.1.2 性能指標(biāo)的選取及邊界生成

魯棒穩(wěn)定裕度指標(biāo)及邊界。取Ws=1.25，由式(2)可得此時(shí)Mp和Mg分別為：Mp=5.105 5，Mg=47.156 4°。該性能指標(biāo)在Nichols圖上生成的邊界如圖5所示。

圖5 魯棒穩(wěn)定裕度邊界

抗輸入擾動指標(biāo)及邊界。取峰值時(shí)間tp≤0.005 s，阻尼比ζ2=0.6，單位階躍擾動輸入信號的輸出幅值小于0.15，則由式(4)可得：

(9)

該性能指標(biāo)在Nichols圖上生成的邊界如圖6所示。

圖6 輸入擾動抑制邊界

參考跟蹤指標(biāo)及邊界。上邊界,超調(diào)量σ≤5%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts_u≤0.018 s，零點(diǎn)z=345.745，則由式(6)可得：

(10)

下邊界,阻尼比ζl=1.05，調(diào)節(jié)時(shí)間ts_l≤0.05 s，極點(diǎn)p=1 000，則由式(7)可得：

(11)

該性能指標(biāo)在Nichols圖上生成的邊界如圖7所示。

圖7 參考跟蹤邊界

2.1.3 合成性能邊界

本文性能邊界以及控制器的合成借助Garcia-Sanz教授及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的QFT工具箱(QFTCT)[13]?？刂破骱铣傻男阅苓吔鐬閳D5～圖7的交集，邊界合成結(jié)果如圖8所示。

圖8 邊界合成

2.2 PID控制器的合成

2.2.1 PID控制器結(jié)構(gòu)

PID控制器的一般結(jié)構(gòu)如下：

(12)

式中：e(s)和u(s)分別為輸入誤差信號和輸出控制信號;Kp、Ki和Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)以及微分系數(shù);Tn為濾波時(shí)間常數(shù)。

式(12)做等效變換，可得：

(13)

因此，由式(13)可知，在合成PID控制器時(shí)，只需要給控制器G(s)調(diào)整增益K、添加零點(diǎn)z1和z2、極點(diǎn)p以及積分環(huán)節(jié)1/s即可獲得PID控制器。

2.2.2 PID控制器合成步驟

未加入控制器G(s)(或G(s)=1)的開環(huán)頻率響應(yīng)曲線L(s)與性能邊界的Nichols圖如圖9所示。

圖9 開環(huán)頻率響應(yīng)曲線與性能邊界Nichols圖

基于QFT的PID控制器的合成分為調(diào)整增益K、添加積分環(huán)節(jié)1/s、零點(diǎn)z1、零點(diǎn)z2以及極點(diǎn)p5個(gè)環(huán)節(jié)，其合成步驟如下。

(1)給控制器添加積分環(huán)節(jié)1/s。

(2)調(diào)整控制器增益K，直到L(s)在頻率點(diǎn)ωi處高于性能邊界。

(3)加入零點(diǎn)z1。零點(diǎn)的加入會增加系統(tǒng)的相位，可以讓L(s)向右邊移動，且零點(diǎn)較小時(shí)主要影響L(s)的低中頻，較大時(shí)則影響高頻。z1取值較小，先滿足低中頻要求。

(4)加入零點(diǎn)z2。z2取值較大，滿足高頻要求，且L(s)在高頻處不應(yīng)穿越穩(wěn)定裕度邊界。

(5)加入極點(diǎn)p，給PID控制器增加濾波環(huán)節(jié)。極點(diǎn)會降低系統(tǒng)的相位，使L(s)向左邊移動，p取值通常較大。

PID控制器的設(shè)計(jì)結(jié)果如下：

(14)

圖10為PID控制器合成結(jié)果。

圖10 PID控制器合成結(jié)果

2.3 預(yù)置濾波器的設(shè)計(jì)

通過給預(yù)置濾波器添加零極點(diǎn)等環(huán)節(jié)，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖處于參考跟蹤指標(biāo)的Bode圖之中，如圖11所示。

圖11 參考跟蹤指標(biāo)與閉環(huán)傳遞函數(shù)Bode圖

F(s)的設(shè)計(jì)結(jié)果如下：

(15)

3 仿 真

基于MATLAB/Simulink的仿真平臺搭建PMSM伺服系統(tǒng)仿真模型，采用id=0的控制策略，電流環(huán)采用PI控制器，電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 PMSM參數(shù)

給定轉(zhuǎn)速0.24pu(600 r/min)，速度控制器采用QFT控制器，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J分別取1倍標(biāo)稱轉(zhuǎn)動慣量J0、3倍標(biāo)稱轉(zhuǎn)動慣量3J0和5倍標(biāo)稱轉(zhuǎn)動慣量5J0時(shí)轉(zhuǎn)速波形如圖12所示。

圖12 不同轉(zhuǎn)動慣量下的轉(zhuǎn)速波形

由圖12可知，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量取1～5倍的標(biāo)稱慣量時(shí)，系統(tǒng)的輸出均處于上邊界和下邊界之間。因此，該控制器設(shè)計(jì)合理。

當(dāng)J=5J0時(shí)，將QFT速度控制器與速度PI控制器對比，分別采用兩者速度控制器的轉(zhuǎn)速波形如圖13所示，其他慣量下的轉(zhuǎn)速波形比較如表2所示。

圖13 J=5J0時(shí)轉(zhuǎn)速比較

表2 不同轉(zhuǎn)動慣量下轉(zhuǎn)速波形比

從圖13和表2可知，在加載不同的轉(zhuǎn)動慣量時(shí)，基于QFT設(shè)計(jì)的PID速度控制器相比PI速度控制器具有更小的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間，且無超調(diào)，擁有更好的魯棒性能。

4 試 驗(yàn)

試驗(yàn)采用GSK公司的130SJT-M075D (A4I)型PMSM(電機(jī)參數(shù)同表1)、GR2050T型驅(qū)動器以及TI公司的TMS320F28377S型DSP處理器搭建PMSM伺服系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺。PMSM伺服系統(tǒng)平臺與慣量臺如圖14所示。

圖14 PMSM試驗(yàn)平臺

電流環(huán)采用PI控制器，速度控制器使用QFT控制器，采樣頻率為16 K，給定轉(zhuǎn)速為0.24pu，分別給系統(tǒng)從零加到4個(gè)慣量盤(一個(gè)慣量盤等于一倍的電機(jī)本體慣量)時(shí)，系統(tǒng)電流和轉(zhuǎn)速波形分別如圖15(a)和圖15(b)所示。

圖15 不同轉(zhuǎn)動慣量下的波形比較

圖中JL為所加的慣量盤的大小，J0為一個(gè)慣量盤的大小。由圖15可知，當(dāng)系統(tǒng)從零增加四個(gè)慣量盤時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速均未產(chǎn)生超調(diào)，q軸電流和轉(zhuǎn)速波形的穩(wěn)態(tài)均沒有大的波動?？梢钥闯鲈摽刂破骶哂休^強(qiáng)的魯棒性，能夠有效抑制轉(zhuǎn)動慣量的擾動。

同樣的條件下將QFT速度控制器與PI速度控制器進(jìn)行比較，其中系統(tǒng)未加慣量盤的轉(zhuǎn)速波形比較如圖16所示，加入不同個(gè)數(shù)慣量盤時(shí)的數(shù)據(jù)情況如表3所示。

圖16 未加慣量盤時(shí)轉(zhuǎn)速波形比較

表3 不同控制器下的轉(zhuǎn)速波形數(shù)據(jù)比較

由圖16和表3可知，與PI控制器相比，使用QFT速度控制器時(shí)系統(tǒng)的上升時(shí)間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間在不同的JL下均要優(yōu)異，且均未產(chǎn)生超調(diào)。由此可知使用QFT速度控制器比使用PI速度控制器的魯棒性強(qiáng)，對負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的擾動具有更好的抑制效果。

將所得結(jié)果與文獻(xiàn)[14]相比較而言，本文所提方法設(shè)計(jì)的控制器不僅結(jié)構(gòu)簡單、確定，設(shè)計(jì)目標(biāo)明確，且具有較強(qiáng)的魯棒性，更適合工程應(yīng)用。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于QFT的PID控制器設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)過程不涉及較深的理論，實(shí)現(xiàn)過程簡單，不僅適用于實(shí)際應(yīng)用，而且能有效改善系統(tǒng)的魯棒性。最后，在不同的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量下進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提方法對轉(zhuǎn)動慣量擾動抑制的合理性。此外，還將該方法與傳統(tǒng)的PI控制器進(jìn)行對比，結(jié)果表明所提方法的魯棒性更為優(yōu)異，對轉(zhuǎn)動慣量擾動的抑制更加明顯。