永磁伺服系统三闭环调节器的设计

2018-05-31李长兵

机电信息 2018年15期

李长兵

（广州数控设备有限公司，广东广州510006）

0 引言

在设计永磁伺服系统三闭环控制器时，设计电流环的主要目标是电流环的响应速度，对电网电压的抗干扰作用是次要的[1]，因此电流环常采用PI控制。转速环需要对负载变化起抗扰作用，同时还要兼顾转速环的响应性能[2]。由于位置环的特殊性，不能出现超调，故一般采用单纯的比例控制[3]。

本文介绍了伺服系统三闭环控制器的模型，然后针对转速的抗扰性能和响应速度，介绍了三种不同的转速环控制器，通过对比分析了各自的优缺点。在实际生产过程中，可以选择不同的控制器来解决伺服系统响应速度与抗扰性的问题，使伺服控制系统满足生产生活控制的要求。

1 伺服系统三闭环模型

永磁伺服系统由内到外分别为电流环、速度环、位置环，其简化的结构框图如图1所示。

图1 永磁伺服系统结构框图

图中，β、α分别为电流环和速度环的反馈系数；θref、θ为给定转角和实际转角；APR为位置调节器；ωref、ω为给定转速和实际转速；ASR为速度环调节器；Ton、Toi分别为速度环、电流环的滤波时间常数；iqref、iq为给定电流和实际电流；ACR为电流环PI调节器；Ts为逆变器的失控时间；Tl为电磁时间常数；Kt、Ce分别为电磁转矩系数和反电动势系数；TL为负载转矩；J为转动惯量。

2 永磁伺服系统三闭环控制器的设计

2.1 电流控制器

不考虑反电动势的影响，电流环结构原理图如图2所示。

图2 电流环结构原理图

需要注意的是，电流中的谐波分量主要来源于SVPWM逆变器，谐波主要集中在采样频率fΔ及fΔ的整数倍附近，所以电流滤波时间常数Toi通常选择为，其中fΔ为采样频率。考虑到电流环的快速响应特性，将调节器的零点和对象中的大的时间常数极点Tl相抵消，即可求得电流控制器的PI参数。

2.2 转速控制器

由于传统的PI调节器存在超调大、抗扰性较差等缺点，本文采用了IP调节器，其原理图如图3所示。

从控制框图中可以看出，积分环节保证了系统闭环响应时没有稳态误差，同时避免了微分突变的影响。IP形式的转速调节器是通过牺牲系统的快速性能来提高系统抗扰性能。

速度环采用PI控制器时，调整时间较IP快，但超调较大；虽然速度环采用IP控制器的超调较小，但调整时间较长。为了结合二者的优点，速度控制器可采用PDFF速度控制器，其控制框图如图4所示，图中Td为输入的扰动信号。

图3 IP结构转速调节器原理图

PDFF控制器是一种较灵活的速度环控制器，当改变PDFF控制器参数Kvi、Kvp、γ的值时，将构成不同的速度环控制器。当γ=0时，PDFF结构就变成了IP控制器的结构；当γ=1时，控制器类似PI结构；其还可以构成前馈控制器等。

图4 PDFF速度环控制框图

2.3 位置控制器

设计位置调节器时，考虑到系统速度响应远比位置响应快，即位置环截止频率远小于速度环各时间常数的倒数，在分析系统时，可以将速度环近似等效成一阶惯性环节。速度等效以后，将位置环校正成典型Ⅰ型系统。设位置环比例系数为Kpp，开环传递函数为：

由于位置环的特殊性，不能出现超调，阻尼系数ξ=1，即可求出比例系数。

3 系统仿真分析

表1给出了永磁伺服系统电机的相关参数。电流环、转速环均采用PI结构，位置环采用比例控制，系统仿真框图如图5所示。

表1 永磁伺服电机参数表

图5 三环伺服系统矢量控制仿真框图

仿真时，位置给定为斜率为10的斜坡信号。图6～图8从上到下分别为电流环、转速环、位置环仿真波形图，比较不同速度环控制器对电流、转速、位置的跟踪效果。在时间t1=0.04 s时加0.5倍的额定负载，观察电机从空载到负载状态时的响应效果；系统稳定后，在t2=0.08 s时去掉0.5倍的额定负载，观察电机从负载状态到空载的仿真效果。