基于慣量辨識的永磁同步電機自整定調速系統

岳 勇 林 勇 溫陽東

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

基于慣量辨識的永磁同步電機自整定調速系統

岳 勇 林 勇 溫陽東

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009)

將慣量辨識引入永磁同步電機速度環控制中，在慣量發生變化的條件下，基于慣量辨識自動調節控制參數來保證系統性能，從而達到自整定的目的。實驗結果表明自整定方案不僅能保證交流伺服系統的控制性能，而且增強了交流伺服系統的智能性和適應性。

永磁同步電機 慣量辨識 控制參數 自整定

在現代交流伺服系統中，永磁同步電機具有結構簡單、運行可靠及方便維護等優點，在工業自動化領域中得到廣泛應用[1]。為實現永磁同步電機的高性能控制，近些年各種非線性控制方案相繼出現，如滑模控制[2]、混沌控制[3]及自抗擾控制[4]等。但是這些控制器往往較復雜，限制了在實際中的應用[5]。而傳統的PI控制結構簡單，易于理解和掌握，在保證一定控制精度的同時，參數調節非常方便。但是由于永磁同步電動機本身是一個具有耦合的非線性對象[6]，應用環境較為復雜，并且容易受到干擾的影響，所以PI控制器不能滿足高精度控制要求。

為了達到較高的性能要求，PI參數在其中起著至關重要的作用，當速度或者負載發生變化時，高效的動態響應和電機參數良好的魯棒性是十分必要的[7,8]。速度控制特性依賴于速度控制系統參數選擇得是否合理，所以尋找合適的PI參數去滿足伺服系統控制就顯得十分必要。在這種情況下知道整個系統的轉動慣量[9](包括電機本身和負載)是非常重要的，控制系統的特性是隨著負載變化而變化的，而一旦轉動慣量被準確辨識出，控制器的參數就可以進行整定以補償轉動慣量的變化，系統的性能就可以提高。

筆者設計一種能自動識別轉動慣量，并據此對系統控制器參數進行自動調整的控制器。該控制器不僅能夠提高交流伺服系統的控制性能，而且增強了交流伺服系統對工況變化的智能性和適應性。

1 永磁同步電機的數學模型

在不影響控制性能的前提下，忽略磁滯渦流和磁路飽和的影響，并作一些理想化的假設，永磁同步電機在d-q坐標系中的數學模型[10]為：

(1)

其中，ud、uq為電樞電壓分量；R為電樞繞組電阻；ψd、ψq為d-q坐標系中定子磁鏈分量，滿足ψd=Ldid+ψf,ψq=Lqiq，ψf為轉子磁鏈，id、iq為d-q坐標系中電樞電流分量，Ld、Lq為d-q坐標系中等效電樞電感，對于表貼式電機滿足Ld=Lq=L；B為電磁感應強度；TL為負載轉矩；np為電機極對數；ω為電機轉子旋轉角頻率。

2 永磁同步電機自適應控制方案

為了抑制負載的擾動和變化(轉動慣量)，對速度環控制器進行了設計。利用一種基于擾動轉矩觀測器的慣量辨識算法[11,12]辨識出電機、聯軸器和負載總的等效轉動慣量，然后按照查表方法自動整定速度環PID控制器參數，從而使系統不需要人工調節PID參數，能夠自適應調節控制器參數，滿足系統要求的性能。基于慣量辨識的交流伺服系統自適應PID控制原理如圖1所示。

圖1 基于慣量辨識的交流伺服系統自適應PID控制原理

3 基于轉矩擾動觀測器的慣量辨識

已知電機運動的狀態方程為：

(2)

(3)

(4)

由慣量變化量和式(3)得：

(5)

引入變量q2滿足：

(6)

則整理式(5)得：

(7)

給出一個周期為T的速度指令測試信號：

ω*(t)=ω*(t-T)

(8)

(9)

(10)

則慣量為：

(11)

4 基于擾動觀測器的速度環PI自整定控制器

交流伺服系統速度環被控對象為：

(12)

式中K——電磁場數，K=npψf。

速度環PI控制器的傳遞函數為：

(13)

速度環特征方程為：Js2+(B+KKP)s+KKI=0，如果系統閉環極點為(-a,-b)，則系統特征方程可以改寫為：

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

(14)

比較式(13)、(14)，易得出：

(15)

當轉動慣量較大時，近似為：

(16)

可以看出，KP、KI與J成正比。

5 實驗結果

基于以上結論，首先在電機不帶慣量盤時，調出一組較好的KP、KI參數，然后當電機帶上慣量盤，先估計出此時的慣量，將之前的KP、KI參數乘以相應的倍數。

由于篇幅限制，筆者僅給出系統外帶5倍慣量盤、10倍慣量盤和20倍慣量盤在3種不同轉速下，自整定前后動態穩態測試結果(表1)。其中永磁同步電機額定轉速為nN，電機啟動至轉速第一次達到0.9nN所經歷的時間，稱為上升時間1；電機啟動至轉速第一次達到nN所經歷的時間，稱為上升時間2。

表1 自整定前、后動態、穩態測試結果

由表1可以看出，經過PI參數自整定后，系統動態性能有了明顯的提升，對于負載擾動和變化的工況(轉動慣量)抑制能力有了本質的改善。自整定后的電機無論是動態性能還是靜態性能，都較自整定前的普通PI算法提高了很多。

6 結束語

筆者針對轉動慣量變化大的應用場合，設計能對系統控制器參數進行自動調整的永磁同步電機控制系統。利用一種基于擾動轉矩觀測器的慣量辨識算法，辨識出電機、聯軸器和負載總的等效轉動慣量，然后按照查表方法自動整定速度環PID控制器參數，使系統不需要人工調節PID參數，能夠自適應調節控制器參數。實驗結果證明了改進方案的有效性。

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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)