CN111030536B - 一种永磁同步电机速度环的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁同步电机速度环的控制系统，速度控制器连接有电流环；永磁同步电机的给定速度与反馈速度的误差值经比例积分调节器处理后的输出构成加法器的第一输入，永磁同步电机的给定速度经复合前馈单元处理后的输出构成加法器的第二输入；第一输入和第二输入构成加法器的输出，将加法器的输出作为速度控制器的输出并输入到电流环以对永磁同步电机进行速度控制；复合前馈单元配置有用于确定永磁同步电机速度环控制结构的线性传递函数f(s)＝k₁s+k₀，其中，k₁和k₀代表控制参数。本发明实现电机多种控制结构的统一，可以根据最终应用场合任意切换成对应适合的控制结构，提高所开发控制器的应用普适性。

Description

一种永磁同步电机速度环的控制系统

技术领域

本发明实施例涉及电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机速度环的控制系统。

背景技术

目前，在永磁同步电机的控制中，针对速度环的控制，一般主流采用PI(比例积分)控制，但也有很多场合，对超调量、稳定性、动态跟随性等性能有不同侧重的要求，除了PI之外，出现了IP控制、PDFF(伪微分反馈控制)、模型追踪控制等多种控制结构。

如图1所示，常规PI控制的结构中，给定速度与反馈速度的差值经过PI调节器输出后构成速度控制器的输出控制量，是一种经典的控制结构，也是应用最普遍的控制结构。

如图2所示，IP控制结构中，前向通道只有积分环节，而将反馈信号通过比例放大取负后叠加到前向通道，这种控制结构的动态响应性不如PI控制，但是其具有良好的稳定性，可以改善PI控制响应超调的问题，可用在对动态性要求不高但对超调量有较高要求的场合。

如图3所示，伪微分反馈控制中，前向通道同样只有积分环节，而反馈信号通过单位负反馈叠加到前向通道，同时将给定信号通过K_f比例放大叠加到前向通道，这种控制结构，其动态性和稳定性介于PI控制和IP控制之间，可根据需要调整参数K_f调节动态性和稳定性。

如图4所示，模型追踪控制是在PI控制结构的基础上增加前馈环节，若要实现前馈环节全补偿被控系统，会得到高阶微分项构成的前馈环节，由于高阶微分不易实现且会引入过大噪声，所以通常忽略电流环和速度反馈滤波环节而得到由一阶微分构成的前馈补偿环节(即微分前馈控制)，其动态性能优良，优于PI控制，一般用于对动态跟随性能要求较高的场合。

以上的各种控制结构各有优点，各自适合于不同的运用场合，选择取决于其所应用的外在系统。但是在电机驱动器的开发过程中，很多时候并不明确该控制器会被运用于什么样的外在系统中，这样就难以确定采用哪种控制结构。所以，若存在一种统一的控制结构，能够通过简单配置参数的方式实现不同的控制结构，不同场景的性能需求时配置成不同的控制结构，将会给系统实现带来方便，也使得控制器能够适应更广泛的应用场景。

然而，现有技术中，都重在分析某一种控制器的应用效果，缺少对多种控制结构的统一及融合实现方案。

公开号为CN102545760B的中国专利就类似问题进行了描述，其通过多个选择通道的方式实现了PDFF、PDF(该方案中PDF控制即为本申请提及的IP控制，而P控制即为单纯的比例控制)、PI和P之间的切换，然而其实现方式过于复杂，搭建的控制构架也过于繁琐，不便于程序实现，而且其不能实现模型追踪控制这种具有良好适用性的控制方式，而保留的P控制在电机控制中却少有使用。

公开号为CN104880944A的中国专利提出了一种变结构控制方式，可以实现在PI与IP控制之间的切换，但其主要针对的是解决减小超调量的问题，并不旨在多种性能特征的融合切换，不具有广泛问题针对性和灵活性。综上，亟需一种新的永磁同步电机速度环的控制方案。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种永磁同步电机速度环的控制系统，实现电机多种控制结构的统一，可以根据最终应用场合任意切换成对应适合的控制结构，提高所开发控制器的应用普适性。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种永磁同步电机速度环的控制系统，包括由比例积分调节器、复合前馈单元和加法器形成的速度控制器，所述速度控制器连接有电流环；永磁同步电机的给定速度与反馈速度的误差值经所述比例积分调节器处理后的输出构成所述加法器的第一输入，永磁同步电机的给定速度经所述复合前馈单元处理后的输出构成所述加法器的第二输入；所述第一输入和第二输入构成所述加法器的输出，将所述加法器的输出作为所述速度控制器的输出并输入到所述电流环以对永磁同步电机进行速度控制；

所述复合前馈单元配置有用于确定永磁同步电机速度环控制结构的线性传递函数f(s)＝k₁s+k₀，其中，k₁和k₀代表控制参数。

作为永磁同步电机速度环的控制系统的优选方案，当k₁＝0，k₀＝-K_p时，复合前馈单元的形式为-K_p，比例积分调节器、复合前馈单元和加法器形成IP控制结构，IP控制结构的前向通道为积分环节，反馈信号通过比例放大取负后叠加到前向通道。

作为永磁同步电机速度环的控制系统的优选方案，当k₁＝0，k₀＝0时，复合前馈单元的形式为0，比例积分调节器和加法器形成比例积分控制结构。

作为永磁同步电机速度环的控制系统的优选方案，当k₁＝0，-K_p<k₀<0时，比例积分调节器、复合前馈单元和加法器之间形成伪微分反馈控制。

作为永磁同步电机速度环的控制系统的优选方案，当0<k₁<1/K，k₀＝0时，比例积分调节器、复合前馈单元和加法器之间形成模型跟踪控制。

作为永磁同步电机速度环的控制系统的优选方案，对于给定的永磁同步电机应用场景，给定k₁和k₀的取值以固定速度控制器结构。

作为永磁同步电机速度环的控制系统的优选方案，对于给定的永磁同步电机应用场景，随时间调整k₁和k₀的取值变化以进行速度控制器结构的切换。

作为永磁同步电机速度环的控制系统的优选方案，所述速度控制器在微控制芯片或DSP中采用数字控制方式，微控制芯片或DSP周期采集永磁同步电机相电流和电机转子位置，通过转子位置信息获得电机速度反馈信号。

本发明通过一种简单、固定的控制结构实现了多种速度控制方式的统一，便于数字控制程序统一实现，便于多应用场景电机控制器的开发。在实际应用中，根据具体应用场景对具体控制性能的要求，通过配置不同的参数就可选择实现不同的控制结构，达到特定系统对稳定性、动态响应性、超调量等性能指标的特定要求，增强了所开发控制器的应用普适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为现有技术中的PI控制结构示意图；

图2为现有技术中的IP控制结构示意图；

图3为现有技术中的伪微分反馈控制示意图；

图4为现有技术中的模型追踪控制示意图；

图5为本发明实施例中提供的永磁同步电机速度环的控制系统示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是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他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图5，并辅助参见图1、图2、图3和图4，提供一种永磁同步电机速度环的控制系统，包括由比例积分调节器、复合前馈单元和加法器形成的速度控制器，所述速度控制器连接有电流环；永磁同步电机的给定速度与反馈速度的误差值经所述比例积分调节器处理后的输出构成所述加法器的第一输入，永磁同步电机的给定速度经所述复合前馈单元处理后的输出构成所述加法器的第二输入；所述第一输入和第二输入构成所述加法器的输出，将所述加法器的输出作为所述速度控制器的输出并输入到所述电流环以对永磁同步电机进行速度控制。所述复合前馈单元配置有用于确定永磁同步电机速度环控制结构的线性传递函数f(s)＝k₁s+k₀，其中，k₁和k₀代表控制参数。

永磁同步电机速度环的控制系统的一个实施例中，当k₁＝0，k₀＝-K_p时，复合前馈单元的形式为-K_p(K_p为所采用的比例调节系数，如图5中所示)，比例积分调节器、复合前馈单元和加法器形成IP控制结构，IP控制结构的前向通道为积分环节，反馈信号通过比例放大取负后叠加到前向通道。可以对比参见图2和图5，当k₁＝0，k₀＝-K_p时，复合前馈单元的形式为-K_p，此时，实现了永磁同步电机速度环的控制系统与IP控制结构的统一。

永磁同步电机速度环的控制系统的一个实施例中，当k₁＝0，k₀＝0时，复合前馈单元的形式为0，比例积分调节器和加法器形成比例积分控制结构。可以对比参见图1和图5，当k₁＝0，k₀＝0时，复合前馈单元的形式为0，此时，实现了永磁同步电机速度环的控制系统与比例积分控制结构的统一。

永磁同步电机速度环的控制系统的一个实施例中，当k₁＝0，-K_p<k₀<0时，比例积分调节器、复合前馈单元和加法器之间形成伪微分反馈控制。可以对比参见图3和图5，当k₁＝0，-K_p<k₀<0时，实现了永磁同步电机速度环的控制系统与伪微分反馈控制的统一。

永磁同步电机速度环的控制系统的一个实施例中，当0<k₁<1/K(K为速度环前向通道的系统固有放大系数)，k₀＝0时，比例积分调节器、复合前馈单元和加法器之间形成模型跟踪控制。可以对比参见图4和图5，当0<k₁<1/K，k₀＝0时，实现了永磁同步电机速度环的控制系统与伪微分反馈控制的统一。

本发明实施例给出了以上几种典型控制的不同参数取值，但并不限于此几种取值，k₁、k₀可以取这几种之外的值得到更加灵活的特性。

具体的，给出的参数k₁、k₀的取值针对特定电机控制系统可以取某一组固定的值，也可根据实际系统需要在不同的时刻取不同的参数值，即参数k₁、k₀可随时间变化，实现特定系统的控制方式动态切换，满足特殊需求。

永磁同步电机速度环的控制系统的一个实施例中，所述速度控制器在微控制芯片或DSP中采用数字控制方式，微控制芯片或DSP周期采集永磁同步电机相电流和电机转子位置，通过转子位置信息获得电机速度反馈信号。

具体的，整个速度控制器一般在微控制芯片或DSP中通过数字控制的方式实现。控制芯片周期采集永磁同步电机相电流、电机转子位置，用转子位置信息计算出电机速度反馈信号，将复合前馈单元和比例积分环节转化成程序实现，周期输出作为电流控制的给定量。对于参数k₁、k₀，可在控制器的人机界面或者上位机中设置两个参数与其对应，在具体应用项目调试时设置成不同的取值选择不同的控制方式及控制特性。

参数k₁、k₀的设置值包括但不限于如下几种：

设置k₁＝0，k₀＝-K_p，形成如图2控制方式；

设置k₁＝0，k₀＝0，形成如图1控制方式；

设置k₁＝0，-K_p<k₀<0，形成如图3控制方式；

设置0<k₁<1/K，k₀＝0，形成如图4控制方式；

在具体实现中，参数k₁、k₀的设置还可是变化的，在系统的不同状态时配置成不同的控制方式，满足特殊场景的性能需求。

本发明提出采用复合前馈单元实现多种控制结构的统一，通过配置不同参数，可构建出不同的控制框架，满足不同场景的控制需求；同时给出了复合前馈单元的传递函数结构为k₁s+k₀，通过配置参数k₁、k₀，可实现PI、IP、PDFF以及微分前馈控制等控制方式。参数k₁、k₀可以是某一组固定值，也可以随时间变化，动态切换系统控制方式。本发明通过一种简单、固定的控制结构实现了多种速度控制方式的统一，便于数字控制程序统一实现，便于多应用场景电机控制器的开发。在实际应用中，根据具体应用场景对具体控制性能的要求，通过配置不同的参数就可选择实现不同的控制结构，达到特定系统对稳定性、动态响应性、超调量等性能指标的特定要求，增强了所开发控制器的应用普适性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机速度环的控制系统，其特征在于，包括由比例积分调节器、复合前馈单元和加法器形成的速度控制器，所述速度控制器连接有电流环；永磁同步电机的给定速度与反馈速度的误差值经所述比例积分调节器处理后的输出构成所述加法器的第一输入，永磁同步电机的给定速度经所述复合前馈单元处理后的输出构成所述加法器的第二输入；所述第一输入和第二输入构成所述加法器的输出，将所述加法器的输出作为所述速度控制器的输出并输入到所述电流环以对永磁同步电机进行速度控制；

所述复合前馈单元配置有用于确定永磁同步电机速度环控制结构的线性传递函数f(s)＝k₁s+k₀，其中，k₁和k₀代表控制参数；

当k₁＝0，k₀＝-K_p时，复合前馈单元的形式为-K_p，比例积分调节器、复合前馈单元和加法器形成IP控制结构，IP控制结构的前向通道为积分环节，反馈信号通过比例放大取负后叠加到前向通道；

当k₁＝0，k₀＝0时，复合前馈单元的形式为0，比例积分调节器和加法器形成比例积分控制结构；

当k₁＝0，-K_p<k₀<0时，比例积分调节器、复合前馈单元和加法器之间形成伪微分反馈控制；

当0<k₁<1/K，k₀＝0时，比例积分调节器、复合前馈单元和加法器之间形成模型跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机速度环的控制系统，其特征在于，对于给定的永磁同步电机应用场景，给定k₁和k₀的取值以固定速度控制器结构。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机速度环的控制系统，其特征在于，对于给定的永磁同步电机应用场景，随时间调整k₁和k₀的取值变化以进行速度控制器结构的切换。

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机速度环的控制系统，其特征在于，所述速度控制器在微控制芯片或DSP中采用数字控制方式，微控制芯片或DSP周期采集永磁同步电机相电流和电机转子位置，通过转子位置信息获得电机速度反馈信号。

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