CN109995286A - 一种异步电机速度环pi参数优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种异步电机速度环PI参数优化设计方法。构建异步电机电压和电流的关系模型，并根据异步电机电压和电流的关系模型构建电流环开环传递模型，进一步根据工程整定法可得电流环PI参数；简化电流环开环传递函数，构建速度环开环传递模型，根据速度环开环传递模型结合工程整定法可得速度环PI参数；将未优化设计的PI参数运行于实际系统；通过对实际系统延时参数计算，得到工程上速度环实际延迟时间；通过工程上速度环实际延迟时间得出工程上速度环实际延迟时间系数；优化设计PI参数值并带入实际系统使之稳定运行；本发明实现对速度环的最优控制，改善了系统的动静态性能。

Description

一种异步电机速度环PI参数优化设计方法

技术领域

本发明涉及异步电机控制技术，具体涉及一种异步电机速度环PI参数优化设计方法。

背景技术

目前工业上用到的自整定技术多为基于参数模型的自整定方法，其指导思想是首先分析辨识控制对象的数学模型，之后在此基础上用整定算法对控制器参数进行整定。其中PI自整定算法由于结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而被广泛使用于工业控制领域。但是在冶金、钢铁等自动化变频器中，异步电机速度环延迟由于延迟环节种类多样化、系统复杂化而不好估测，导致模型构建的参数与实际系统不能够对应，PI参数设计不准，从而在实际工程运用过程中容易出现速度震荡，严重时变频器过流等现象。

针对上述问题，本发明提供一种方法，在矢量控制系统下，根据实际系统中的速度环延迟对PI控制进行整定，优化设计PI参数。与传统PI控制相比，优化后的系统具有更好的动静态性能。本方法未改变控制器结构，通用性较强，且易于实现，具有较好的工业运用前景。

发明内容

为了解决异步电机速度环在矢量控制下转速波动，严重时过流的问题，本发明提出了一种异步电机速度环PI参数优化设计方法。具体步骤为：

步骤1：构建异步电机电压和电流的关系模型，并根据异步电机电压和电流的关系模型构建电流环开环传递模型，进一步根据工程整定法可得电流环PI参数；

步骤2：简化电流环开环传递函数，构建速度环开环传递模型，根据速度环开环传递模型结合工程整定法可得速度环PI参数；

步骤3：将未优化设计的PI参数运行于实际系统；

步骤4：通过对实际系统延时参数计算，得到工程上速度环实际延迟时间；

步骤5：通过工程上速度环实际延迟时间，得出工程上速度环实际延迟时间系数；

步骤6：优化设计PI参数值并带入实际系统使之稳定运行。

作为优选，步骤1中所述异步电机电压和电流的关系模型如下所示：

其中，R_s为定子电阻，u_sd为定子d轴电压，u_sq为定子q轴电压，i_sd为定子d轴电流，i_sq为定子q轴电流，L_m为互感，L_r为转子电感，L_s为定子电感，ω₁为同步角频率，ψ_r为转子磁链，漏感为

电流环PI调节器传递函数为k_cp为电流环比例增益系数，k_ci为电流环积分系数；

步骤1中所述构建电流环开环传递模型为：

补偿耦合项ω₁σL_si_sq、小惯量环节合并后，根据异步电机电压和电流的关系模型得到电流环开环传递模型如下：

其中，电流环延迟时间为k_c为电流环延迟时间系数，T_pwm为PWM波周期，f_M为载波频率；

步骤1中所述根据工程整定法可得电流环PI参数为：

其中，ξ为阻尼比，R_s为定子电阻，L_s为定子电感，k_cp为电流环比例增益系数，k_ci为电流环积分系数。

作为优选，步骤2中速度环PI调节器传递函数为k_sp为速度环比例增益系数，k_si为速度环积分系数，将电流环简化为一阶惯性环节，并根据电机转矩电流和转矩之间的关系以及电机的动力公式，得到速度环开环传递模型为：

其中，速度环延迟时间为k_c为电流环延迟时间系数，k_s为速度环延迟时间系数，T_pwm为PWM波周期，f_M为载波频率，K_IT为转矩系数，J为转动惯量；

步骤2中所述根据速度环开环传递模型结合工程整定法可得速度环PI参数为：

其中，h为中频宽，k_sp为比例增益系数，k_si为积分系数。

作为优选，步骤3中所述未优化设计的PI参数运行于实际系统为：

其中，k_c为PI参数中的电流环延迟时间系数，k_s为PI参数中的速度环延迟时间系数，k_sf为工程上实际的PI参数中速度环延迟时间系数，这里将k_c，k_s＝k_sf＝(T_sf0+T_sfc)/(k_c*T_pwm)带入速度环PI参数中计算作为未优化设计参数运用于实际系统。

作为优选，步骤4中所述速度环工程上实际延迟时间为：

T_d＝T_sfm+T_sf0+T_sf1+T_sfc

其中，T_sfm为电机实际转速变换为传感器信号的时间，与实际电路以及工况有关；T_sf0为编码器转速滤波系数对应的延迟时间；T_sf1为脉冲信号转为转速信号的时间，由M/T测速法进行数据处理；T_sfc为电流环延时反映到转速环的延迟时间。

作为优选，步骤5中所述工程上速度环实际延迟时间系数；

k_s＝k_sf＝(T_sfm+T_sf0+T_sf1+T_sfc)/(k_c*T_pwm)

由于在实际系统中速度环实际延迟时间不仅仅包括T_sf0+T_sfc，还包括T_sfm+T_sf1，故实际系统的速度环延迟系数k_sf＝(T_sfm+T_sf0+T_sf1+T_sfc)/(k_c*T_pwm)，将其赋值给k_s，通过步骤2进行实际速度环PI参数计算从而在实际系统中运行；

作为优选，步骤6中所述优化设计PI参数值；

k_s＝(T_sf0+T_sfc)/(k_c*T_pwm)+T_ds/(k_c*T_pwm)

其中T_ds＝T_sfm+T_sf1为纯延迟，将其带入步骤2中计算出优化设计的速度环PI参数值并带入实际系统使之稳定运行。

本发明优点在于，本发明实现对速度环的最优控制，改善了系统的动静态性能。

附图说明

图1：为异步电机电流环结构框图；

图2：为异步电机速度环结构框图；

图3：为不考虑纯延时整定出的PI参数电机运行效果图；

图4：为考虑不恰当纯延时整定出的PI参数电机运行效果图；

图5：为考虑恰当纯延迟整定出的PI参数电机运行效果图；

图6：为PI参数优化设计流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图6介绍本发明的实施方式，具体步骤为：

步骤1：构建异步电机电压和电流的关系模型，并根据异步电机电压和电流的关系模型构建电流环开环传递模型，进一步根据工程整定法可得电流环PI参数；

步骤1中所述异步电机电压和电流的关系模型如下所示：

其中，R_s为定子电阻，u_sd为定子d轴电压，u_sq为定子q轴电压，i_sd为定子d轴电流，i_sq为定子q轴电流，L_m为互感，L_r为转子电感，L_s为定子电感，ω₁为同步角频率，ψ_r为转子磁链，漏感为

电流环PI调节器传递函数为k_cp为电流环比例增益系数，k_ci为电流环积分系数；

步骤1中所述构建电流环开环传递模型为：

补偿耦合项ω₁σL_si_sq、小惯量环节合并后，根据异步电机电压和电流的关系模型得到电流环开环传递模型如下：

其中，电流环延迟时间为k_c为电流环延迟时间系数，T_pwm为PWM波周期，f_M为载波频率。

步骤1中所述根据工程整定法可得电流环PI参数为：

其中，ξ＝0.707为阻尼比，R_s为定子电阻，L_s为定子电感，k_cp为电流环比例增益系数，k_ci为电流环积分系数；

步骤2：简化电流环开环传递函数，构建速度环开环传递模型，根据速度环开环传递模型结合工程整定法可得速度环PI参数；

步骤2中速度环PI调节器传递函数为k_sp为速度环比例增益系数，k_si为速度环积分系数，将电流环简化为一阶惯性环节，并根据电机转矩电流和转矩之间的关系以及电机的动力公式，得到速度环开环传递模型为：

其中，速度环延迟时间为k_c为电流环延迟时间系数，k_s为速度环延迟时间系数，T_pwm为PWM波周期，f_M为载波频率，K_IT为转矩系数，J为转动惯量；

步骤2中所述根据速度环开环传递模型结合工程整定法可得速度环PI参数为：

其中，h为中频宽，k_sp为比例增益系数，k_si为积分系数；

步骤3：将未优化设计的PI参数运行于实际系统；

步骤3中所述未优化设计的PI参数运行于实际系统为：

其中，k_c为PI参数中的电流环延迟时间系数，k_s为PI参数中的速度环延迟时间系数，k_sf为工程上实际的PI参数中速度环延迟时间系数，这里将k_c＝6，k_s＝k_sf＝(T_sf0+T_sfc)/(k_c*T_pwm)＝10带入速度环PI参数中计算作为未优化设计参数运用于实际系统。

步骤4：通过对实际系统延时参数计算，得到工程上速度环实际延迟时间；

步骤4中所述工程上速度环实际延迟为：

T_d＝T_sfm+T_sf0+T_sf1+T_sfc

其中，T_sfm为电机实际转速变换为传感器信号的时间，与实际电路以及工况有关；T_sf0为编码器转速滤波系数对应的延时时间；T_sf1＝4ms为脉冲信号转为转速信号的时间，由M/T测速法进行数据处理；T_sfc为电流环延时反映到转速环的延时时间。

步骤5：通过工程上速度环实际延迟时间，得出工程上速度环实际延迟时间系数；

步骤5中所述优化设计速度环PI参数值：

k_s＝k_sf＝(T_sfm+T_sf0+T_sf1+T_sfc)/(k_c*T_pwm)

由于在实际系统中速度环实际延迟不仅仅包括T_sf0+T_sfc，还包括T_sfm+T_sf1，故实际系统的速度环延迟时间系数k_sf＝(T_sfm+T_sf0+T_sf1+T_sfc)/(k_c*T_pwm)，将其赋值给k_s；

步骤6：优化设计PI参数值并带入实际系统使之稳定运行；

步骤6中所述将优化设计PI参数值：

根据步骤5得到工程上速度环实际延迟系数：

k_c＝6

k_s＝(T_sf0+T_sfc)/(k_c*T_pwm)+T_ds/(k_c*T_pwm)

其中T_ds＝T_sfm+T_sf1。将其带入步骤2中计算出优化设计的速度环PI参数值并带入实际系统使之稳定运行。

图3在PI参数设计过程中不考虑纯延时T_ds的影响，系统转矩电流与速度波形波动剧烈，稳定性差。图4在PI参数设计过程中考虑了纯延时T_ds的影响，但与系统的纯延时T_ds不相匹配，仿真效果不太理想。图5将与纯延时T_ds相匹配的速度环延迟时间系数k_s考虑到PI参数设计中，系统获得更好的静动态性能。

可知在PI自整定过程中不考虑纯延时或者考虑不正确的纯延迟都会对系统的动静态性能产生较大的影响。因此只有当PI自整定中的速度环延迟与系统速度环实际运行延迟相匹配时，从而优化PI自整定参数，系统才能得到更好的动静态性能，具体优化流程框图如图6所示。

以上对本发明的具体实施进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种异步电机速度环PI参数优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建异步电机电压和电流的关系模型，并根据异步电机电压和电流的关系模型构建电流环开环传递模型，进一步根据工程整定法可得电流环PI参数；

步骤2：简化电流环开环传递函数，构建速度环开环传递模型，根据速度环开环传递模型结合工程整定法可得速度环PI参数；

步骤3：将未优化设计的PI参数运行于实际系统；

步骤4：通过对实际系统延时参数计算，得到工程上速度环实际延迟时间；

步骤5：通过工程上速度环实际延迟时间，得出工程上速度环实际延迟时间系数；

步骤6：优化设计PI参数值并带入实际系统使之稳定运行。

2.根据权利要求1所述的异步电机速度环PI参数优化设计方法，其特征在于：步骤1中所述异步电机电压和电流的关系模型如下所示：

其中，R_s为定子电阻，u_sd为定子d轴电压，u_sq为定子q轴电压，i_sd为定子d轴电流，i_sq为定子q轴电流，L_m为互感，L_r为转子电感，L_s为定子电感，ω₁为同步角频率，ψ_r为转子磁链，漏感为

电流环PI调节器传递函数为k_cp为电流环比例增益系数，k_ci为电流环积分系数；

步骤1中所述构建电流环开环传递模型为：

补偿耦合项ω₁σL_si_sq、小惯量环节合并后，根据异步电机电压和电流的关系模型得到电流环开环传递模型如下：

其中，电流环延迟时间为k_c为电流环延迟时间系数，T_pwm为PWM波周期，f_M为载波频率；

步骤1中所述根据工程整定法可得电流环PI参数为：

其中，ξ为阻尼比，R_s为定子电阻，L_s为定子电感，k_cp为电流环比例增益系数，k_ci为电流环积分系数。

3.根据权利要求1所述的异步电机速度环PI参数优化设计方法，其特征在于：步骤2中速度环PI调节器传递函数为k_sp为速度环比例增益系数，k_si为速度环积分系数，将电流环简化为一阶惯性环节，并根据电机转矩电流和转矩之间的关系以及电机的动力公式，得到速度环开环传递模型为：

其中，速度环延迟时间为k_c为电流环延迟时间系数，k_s为速度环延迟时间系数，T_pwm为PWM波周期，f_M为载波频率，K_IT为转矩系数，J为转动惯量；

步骤2中所述根据速度环开环传递模型结合工程整定法可得速度环PI参数为：

其中，h为中频宽，k_sp为比例增益系数，k_si为积分系数。

4.根据权利要求1所述的异步电机速度环PI参数优化设计方法，其特征在于：步骤3中所述未优化设计的PI参数运行于实际系统为：

其中，k_c为PI参数中的电流环延迟时间系数，k_s为PI参数中的速度环延迟时间系数，k_sf为工程上实际的PI参数中速度环延迟时间系数，这里将k_c，k_s＝k_sf＝(T_sf0+T_sfc)/(k_c*T_pwm)带入速度环PI参数中计算作为未优化设计参数运用于实际系统。

5.根据权利要求1所述的异步电机速度环PI参数优化设计方法，其特征在于：步骤4中所述速度环工程上实际延迟时间为：

T_d＝T_sfm+T_sf0+T_sf1+T_sfc

其中，T_sfm为电机实际转速变换为传感器信号的时间，与实际电路以及工况有关；T_sf0为编码器转速滤波系数对应的延迟时间；T_sf1为脉冲信号转为转速信号的时间，由M/T测速法进行数据处理；T_sfc为电流环延时反映到转速环的延迟时间。

6.根据权利要求1所述的异步电机速度环PI参数优化设计方法，其特征在于：步骤5中所述工程上速度环实际延迟时间系数；

k_s＝k_sf＝(T_sfm+T_sf0+T_sf1+T_sfc)/(k_c*T_pwm)

由于在实际系统中速度环实际延迟时间不仅仅包括T_sf0+T_sfc，还包括T_sfm+T_sf1，故实际系统的速度环延迟系数k_sf＝(T_sfm+T_sf0+T_sf1+T_sfc)/(k_c*T_pwm)，将其赋值给k_s，通过步骤2进行实际速度环PI参数计算从而在实际系统中运行。

7.根据权利要求1所述的异步电机速度环PI参数优化设计方法，其特征在于：步骤6中所述优化设计PI参数值；

k_s＝(T_sf0+T_sfc)/(k_c*T_pwm)+T_ds/(k_c*T_pwm)

其中T_ds＝T_sfm+T_sf1为纯延迟，将其带入步骤2中计算出优化设计的速度环PI参数值并带入实际系统使之稳定运行。