基于惯量辨识的永磁同步电机自整定调速系统

岳 勇 林 勇 温阳东

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009)

基于惯量辨识的永磁同步电机自整定调速系统

岳 勇 林 勇 温阳东

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009)

将惯量辨识引入永磁同步电机速度环控制中，在惯量发生变化的条件下，基于惯量辨识自动调节控制参数来保证系统性能，从而达到自整定的目的。实验结果表明自整定方案不仅能保证交流伺服系统的控制性能，而且增强了交流伺服系统的智能性和适应性。

永磁同步电机 惯量辨识 控制参数 自整定

在现代交流伺服系统中，永磁同步电机具有结构简单、运行可靠及方便维护等优点，在工业自动化领域中得到广泛应用[1]。为实现永磁同步电机的高性能控制，近些年各种非线性控制方案相继出现，如滑模控制[2]、混沌控制[3]及自抗扰控制[4]等。但是这些控制器往往较复杂，限制了在实际中的应用[5]。而传统的PI控制结构简单，易于理解和掌握，在保证一定控制精度的同时，参数调节非常方便。但是由于永磁同步电动机本身是一个具有耦合的非线性对象[6]，应用环境较为复杂，并且容易受到干扰的影响，所以PI控制器不能满足高精度控制要求。

为了达到较高的性能要求，PI参数在其中起着至关重要的作用，当速度或者负载发生变化时，高效的动态响应和电机参数良好的鲁棒性是十分必要的[7,8]。速度控制特性依赖于速度控制系统参数选择得是否合理，所以寻找合适的PI参数去满足伺服系统控制就显得十分必要。在这种情况下知道整个系统的转动惯量[9](包括电机本身和负载)是非常重要的，控制系统的特性是随着负载变化而变化的，而一旦转动惯量被准确辨识出，控制器的参数就可以进行整定以补偿转动惯量的变化，系统的性能就可以提高。

笔者设计一种能自动识别转动惯量，并据此对系统控制器参数进行自动调整的控制器。该控制器不仅能够提高交流伺服系统的控制性能，而且增强了交流伺服系统对工况变化的智能性和适应性。

1 永磁同步电机的数学模型

在不影响控制性能的前提下，忽略磁滞涡流和磁路饱和的影响，并作一些理想化的假设，永磁同步电机在d-q坐标系中的数学模型[10]为：

(1)

其中，ud、uq为电枢电压分量；R为电枢绕组电阻；ψd、ψq为d-q坐标系中定子磁链分量，满足ψd=Ldid+ψf,ψq=Lqiq，ψf为转子磁链，id、iq为d-q坐标系中电枢电流分量，Ld、Lq为d-q坐标系中等效电枢电感，对于表贴式电机满足Ld=Lq=L；B为电磁感应强度；TL为负载转矩；np为电机极对数；ω为电机转子旋转角频率。

2 永磁同步电机自适应控制方案

为了抑制负载的扰动和变化(转动惯量)，对速度环控制器进行了设计。利用一种基于扰动转矩观测器的惯量辨识算法[11,12]辨识出电机、联轴器和负载总的等效转动惯量，然后按照查表方法自动整定速度环PID控制器参数，从而使系统不需要人工调节PID参数，能够自适应调节控制器参数，满足系统要求的性能。基于惯量辨识的交流伺服系统自适应PID控制原理如图1所示。

图1 基于惯量辨识的交流伺服系统自适应PID控制原理

3 基于转矩扰动观测器的惯量辨识

已知电机运动的状态方程为：

(2)

(3)

(4)

由惯量变化量和式(3)得：

(5)

引入变量q2满足：

(6)

则整理式(5)得：

(7)

给出一个周期为T的速度指令测试信号：

ω*(t)=ω*(t-T)

(8)

(9)

(10)

则惯量为：

(11)

4 基于扰动观测器的速度环PI自整定控制器

交流伺服系统速度环被控对象为：

(12)

式中K——电磁场数，K=npψf。

速度环PI控制器的传递函数为：

(13)

速度环特征方程为：Js2+(B+KKP)s+KKI=0，如果系统闭环极点为(-a,-b)，则系统特征方程可以改写为：

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

(14)

比较式(13)、(14)，易得出：

(15)

当转动惯量较大时，近似为：

(16)

可以看出，KP、KI与J成正比。

5 实验结果

基于以上结论，首先在电机不带惯量盘时，调出一组较好的KP、KI参数，然后当电机带上惯量盘，先估计出此时的惯量，将之前的KP、KI参数乘以相应的倍数。

由于篇幅限制，笔者仅给出系统外带5倍惯量盘、10倍惯量盘和20倍惯量盘在3种不同转速下，自整定前后动态稳态测试结果(表1)。其中永磁同步电机额定转速为nN，电机启动至转速第一次达到0.9nN所经历的时间，称为上升时间1；电机启动至转速第一次达到nN所经历的时间，称为上升时间2。

表1 自整定前、后动态、稳态测试结果

由表1可以看出，经过PI参数自整定后，系统动态性能有了明显的提升，对于负载扰动和变化的工况(转动惯量)抑制能力有了本质的改善。自整定后的电机无论是动态性能还是静态性能，都较自整定前的普通PI算法提高了很多。

6 结束语

笔者针对转动惯量变化大的应用场合，设计能对系统控制器参数进行自动调整的永磁同步电机控制系统。利用一种基于扰动转矩观测器的惯量辨识算法，辨识出电机、联轴器和负载总的等效转动惯量，然后按照查表方法自动整定速度环PID控制器参数，使系统不需要人工调节PID参数，能够自适应调节控制器参数。实验结果证明了改进方案的有效性。

[1] 李华德．交流调速控制系统[M]．北京：电子工业出版社，2003：1～11．

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[10] 陈荣,邓智泉,严仰光.永磁伺服系统控制方案选择[J].盐城工学院学报(自然科学版)，2003，16(2)：5～9.

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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)