基于母线电压的永磁同步电动机自适应电流环控制方法_王晓嘉

网络出版时间：2014-09-26 16:56

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基于母线电压的永磁同步电动机自适应电流环控制方法

王晓嘉, 查　 斌, 安　 芳

(中国电子科技集团公司第二十一研究所, 上海200233)

摘　 要:电流环是交流伺服系统的三环控制中的最底层环路㊂ 电流环控制取决于电机的参数和外部的环境变量, 而电流环控制算法的好坏直接影响伺服系统的动态性能㊂ 提出了一种基于母线电压采样的电流环控制方法, 利用ADC 对母线电压的采样, 引入非线性的母线电压曲线加权设计, 从而提高电流环的鲁棒性和响应性能㊂ 通过MATLAB 进行理论仿真验证, 并在搭建的硬件平台上进行实际的电机控制, 实验验证了该方法的有效性㊂

关键词:磁场定向控制; 直线母线电压; 阶跃响应;PI 控制; 电流环

中图分类号:TM351; TM341　 　 文献标志码:A　 　 文章编号:1004-7018(2014Adaptive Current Loop Control for PMSM (No.21Research Institute of WANG Xiao⁃jia , ZHA Bin , AN the parameters of the motor and other environment a algorithm of loop can achieve high dynamic performance. A control method for current loop nonlinear method that demonstrate the effectiveness of the the bus current curve weighting by using the of bus The algorithm was verified through MATLAB simulation. The actual motor in platform. Experimental results

Key words :FOC;DCbus control;current loop

Abstract :Currentloop is the lowest level of control loop in AC The loop depends on

0引　 言

, 文献[6]提出了一种在同一模型中对电阻㊁ 电感与磁通进行辨识的自适应控制方法㊂ 电流环的参数近年来, ㊁ ㊁ 从本质上是依赖于电机本体和外部环境变量, 在上

计算机技术㊁ 传感器技术㊁ 述电流环参数自适应的研究中缺少对于外部环境变理论的发展, , 交量的考虑㊂ 电流环的输出最终要通过外部的环境变[1-2]㊂

量转化成实际作用在电机三相上的电流送出㊂ 在伺目前, ㊁ 小型服控制中, 直流母线的电压是电流环PID 输出从逻化和互连性三个方面[3]辑单位到物理值变换中的基本变量之一㊂ 电压值不在工业控制中占据主导地位的主要原因㊂ , 具体表现仅随着外部应用的环境的改变而改变, 而且也取决在控制的稳定性㊁ 稳态精度和动态过程三个方于当前电机的工作状态㊂ 此外, 电机产生的反电势面

[4]

也可以等效为母线电压的变化㊂ 反过来, 母线电压位置环㊂ ㊁ 在控制理论方面速度环和电流环的三环控制框架, 成熟的交流伺服系统采用

㊂

的值改变了电流环的响应曲线, 从而影响了电流环作为最底层的电流环控制是决定系统性能的关的控制性能㊂

键因素㊂ 对于电流环控制算法的研究, 主要集中在本文提出了一种基于母线电压的自适应电流环以下几个方面:系统建模㊁ 仿真以及分析, 电机本体控制算法, 通过对母线电压采样, 进行非线性映射处的参数识别, 电流环路算法的改进和硬件实现及电理, 将其结果应用到电流环的整体增益上, 提高了伺流环路参数的自整定方法㊂ 电流环算法[1]就实现服系统的电流环在复杂外部环境下的自适应性㊂

和有效性来说, 经典的PI 算法已经足以满足要求, 因此, 目前研究的热点集中在电流环的参数自适应1交流伺服电动机控制电流环模型

上㊂ 文献[5]利用带遗忘因子的递推最小二乘法对交流伺服电动机具有电流力矩系数高㊁ 散热性永磁同步电动机定子电阻和永磁体磁链进行在线辨

好㊁ 响应速度快等优点, 在很多场合已经逐渐取代了传统的交流异步电动机, 成为工业应用中主要的选

收稿日期:2014-5-13

型考虑之一㊂ 在控制方面, 交流伺服主要采用磁场

王晓嘉等　 基于母线电压的永磁同步电动机自适应电流环控制

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王晓嘉等　 基于母线电压的永磁同步电动机自适应电流环控制

定向控制(FOC)算法, 其基本思想是将电机三相的电流控制, 映射到旋转正交的交直轴空间(dq 空间) 中, 控制最终合成的磁场矢量[7]㊂ 在FOC 框架下, 电机在交直轴空间中的近似数学模型如下:

d i

u d =Ri d +L d d -ω r L q i q

d t

üïïý

i q ï

u q =Ri q +L q +ω r (ψ m +L d i d ) ï

þd t

2基于母线电压采样的电流环控制算法

目前主导的伺服驱动系统都是采用交流母线供电的, 而伺服电动机需要的是一个正弦的三相交流电㊂ 因此, 整个控制系统是一个AC 到DC 再到AC 的电压转换系统, 其框图如图3所示㊂ 三相交流电输入, 经过全桥整流, 再经过大电容滤波得到直流电压㊂ 该直流电压通过FOC 电流环控制再转成三相交流电压输出到永磁同步电动机㊂

(1)

式中:u d 和u q 为电机直轴和交轴上的电压, i d 和i q

为电机直轴和交轴电流, R 为电机定子电阻, L d 和L q 为电机直轴和交轴上的电感, ω r 为电机当前的电转速, ψ d 为永磁体的磁链㊂ 相应的空间抽象图如图

1所示㊂

　 　 , 通过PI , 利用SVPWM 分㊂ , 对母

图1　 电机空间矢量图

图3　 AC DC [8]㊂ 输入是电流值, 控制㊂ 调节占空比就调节了最后, 从而产生了相电流, 最终形㊂ 从上述分析中可以看出, 电, 而控制电流是通过改PWM 的占空比来实现, 最后施加在电机上的电压是通过PWM 占空比乘以母线电压得到㊂ 母线电压越大, 则同样的电流误差下的占空比输出越大, 说明PWM 的输出和母线电压成反比的关系㊂ 因此, 本文引入母线电压的测量, 提出自适应电流环控制方法, 如图4所示㊂ 在框架中引入对母线电压的测量, 通过母线电压的值自动调整电压电流比K CVA (图中重新定义为K CVA ), 从而实现最后输出的PWM 占空比能够自适应地跟踪母线电压的调整㊂

图2　 电流环控制框图

　 　

式永磁同步电动机, 有L d =L q , T e =pψ d I q

在FOC 中, 通常令直轴电流I d =0㊂ 式中:ψ d 为直轴磁链㊂ , 于永磁体, 为常数㊂ 因此, 控制其交轴电流, 决定了整个伺服控制的性能㊂

PI , 流环控制模型如图2所示㊂

　 　 图2中, 给定电流I *q 和反馈电流I q 的差值输入给PI 控制环节进行调节㊂ 电流电压变比K cv 作为一个常数, 将PI 的输出变换成实际的电压给定, 作用于后续的电机模型中㊂ 整个电流环在电流环的能㊂ 最优的参数设计可以遵循德国西门子公司的于三变数原则的工程设计方法来设置

[10]

PI 控制环节, 其参数值直接决定了电流环的控制性 调节器最佳整定” 思路, 采用陈伯时教授提出的基的输出要通过电流电压变比K cv 来产生实际的物理一个常数, 未将外部的变量因数(如直流母线电压) 考虑在内㊂

㊂ 然而PI

图4　 自适应电流环框架

5所示㊂ 母线电压经过电阻分压后, 输入线性光耦HCPL-7840, 输出通过差动放大其值送至单片机的AD 采样端㊂ 单片机定时启动AD 采样, 将AD 采样结果根据物理关系反推, 则可得到母线电压值㊂

进一步, 需要设计自适应电压电流比K CVA 和母

在母线电压采样中, 电流环硬件实现方案如图

输出, 由此可见, 标准的电流环控制方法将K cv 作为

线电压的变比关系㊂ 考虑到母线电压的变化以及反

　 　

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图5　 母线电压采样方案

比关系,

单纯用线性关系引入母线电压的考虑是不合理的㊂ 本文提出用分段的非线性映射关系引入母线电压的变比, 变比公式如下:

K CVA

ìïK max 　 ïK =í　 ïDC ïK 　 îmin

V min

V max ≤ V DC V DC ≤ V min

(3)

馈, ㊂ 伺服硬件系统, 8㊂

相应的, 式中:K 为电压和电流的基本变比系数; V min 为母线电压的阈值下限; V max 为母线电压的阈值上限; K min 为母线电压小于其阈值下限对应的最小增益200V 时的

(b)母线电压为400V 时的

标准电流环仿真

为母线电压大于其阈值上限对应的最大增益㊂ 的特性来设定㊂ 流220V, 相应的直流母线电压为310V㊂ 对此, 设定阈值下限为200V, 阈值上限为400V, 最大增0. 3K ㊂ 如图6所示㊂

益等于K , 6　 图8　 硬件平台实验

200V 时的

自适应控制仿真

(d)母线电压为400V 时的

自适应控制仿真

图7　 同一给定电流阶跃响应的不同算法模型仿真

王晓嘉等　 基于母线电压的永磁同步电动机自适应电流环控制

3仿真及实验

电流环的基本特性可以用电流环的阶跃响应来判定, 而算法的自适应特性则可以通过不同外部环境变量下的电流环阶跃响应的一致性来表示㊂ 因此, 我们通过电流环的阶跃响应来评价算法的有效性㊂ 给定电流环路的PI 值, 测试标准算法和自适应算法在不同的母线电压下的同一给定的电流阶跃响应, 若其响应曲线的一致性好, 则证明其算法的自适应特性强㊂ 以此为检验标准, 本文在仿真平台和实际平台下分别对比测试了标准算法和本文的自适应算法㊂ 在仿真中, 通过Simulink 搭建了交流伺服的标准电流环模型和本文提出的带母线电压反馈的自适应控制的模型, 其仿真结果如图7所示㊂

从图7中的对比可以看出, 带母线电压反馈的自适应控制的模型能够较好地应对母线电压的反

　 　 系统工作在电流环模式下, 由外部控制板给入阶跃指令信号, 上位机通过串口连接到驱动器, 当电流环阶跃产生时, 驱动器捕捉其电流反馈的波形, 捕捉完成后通过串口将所有数据上传到上位机, 提供显示和分析㊂ 实验中, 电流环的PI 系数通过最优法调整母线电压, 测试在不同电压下的电流环的阶跃响应㊂ 实验结果如图9㊁ 图10所示, 图9为标准电流模型的电流环响应, 图10为自适应模型的电流环响应㊂ 可以看出, 标准模型的电流环响应在不同的电压给定下, 其波形有很大的偏差㊂ 在200V 下, 其响应波形大致有5%的超调; 在310V 下其超调量10%, 并且出现一次的回调㊂ 再来观察自适应模型达到了8%; 而在370V 下其超调量已经超过了

则设定, 驱动器的母线电源由独立的可调电源供给,

(下转第79页) 　 69

　 　

因此在实际使用中也会如此, 但图5的上升时间和超调量等指标完全满足工程要求㊂ 综上所述, 采用ITAE-超调量方法整定BLDCM 的PID 参数在工程实践中是完全可行的㊂

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大学学报(自然科学版),2011,31(4):98-101.

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4结　 语

MATLAB 非线性最小平方函数, 按照ITAE 指标和超调量进行PID 参数寻优, 并将求取的参数与经典

2

[5]　ZHUANG M,ATHERTON D. P. Automatic tuning of optimum PID

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本文对BLDCM 传递函数进行了分析, 采用

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[7]　夏长亮. 无刷直流电机控制系统[M].北京:科学出版社,2009.

Z-N 法㊁ 庄-IST E

法和张-ITAE 法进行比较, 结果表明, 采用本方法提出的PID 参数系统具有更快的响应速度㊂ 最后将PID 参数写入BLDCM 控制系统中, 运行仿真并选取一样机做实验验证㊂ 结果表明, 本系统具有良好动㊁ 静态性能和较强的鲁棒性且抗干扰能力强㊂ 该方法为缩短BLDCM 系统开发周期提供有利条件, 具有良好的推广应用价值㊂ 参考文献

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, 李东海, 薛亚丽. 指标的PID 参数整定方法, , . 男, 硕士研究生, 研究方向为无刷直流㊂

[3]　马登成, 杨士敏. [(上接第69页)

下的电流环响应, 在200V 下, ㊂ 结　 语

本文通过引入母线电压的测量, 建立了一套自

应模型的有效性㊂

适应的电流环模型㊂ 在仿真平台和实际硬件平台上测试了算法的性能, 两者同时证明了算法的有效性㊂

为了更好地提高算法的自适应特性, 算法仍存在改善的空间, 后续会进一步考虑反电势对于电流环参

(a)200V (b)310V

数的影响㊂ 参考文献

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图9　 标准模型的电流环阶跃响应

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图10　 自适应模型的电流环阶跃响应

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,

殷　 帅等ITAE 　

在无刷直流电动机PID

参数优化中的应用

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