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伺服电机控制系统的高宽带电流环参数设计

时间:2025-11-17 09:53

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作者:admin

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导读:上回我们介绍了EtherCAT是如何利用SSC产生的sync信号,与电机控制系统完成同步的,如此我们即可保证整个控制系统的同步性能伺服控制。在此基础上,伺服电机的实时精确控制要求电机...

高宽带电流环参数设计

上回我们介绍了EtherCAT是如何利用SSC产生的sync信号,与电机控制系统完成同步的,如此我们即可保证整个控制系统的同步性能伺服控制。在此基础上,伺服电机的实时精确控制要求电机控制系统具有较高的响应带宽,其中,电机的电流环路设计对于系统带宽的提升,扮演着至关重要的角色。

今天,将和大家介绍电机电流环路系统的各个组成部分,并对该系统进行连续域建模。

永磁同步电机(PMSM)模型

为简化数学模型,我们可做以下近似1)忽略铁心饱和;2)不计涡流和磁滞损耗;3)转子上无阻尼绕组,永磁体不计阻尼作用;4)相绕组中感应电动势波形为正弦波。PMSM在同步旋转坐标系(d-q轴)下电压方程为:

cea08f4c-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png

忽略d轴磁链和q轴磁链交叉耦合产生的反电势,对上式进行拉普拉斯变换即有:

cf08e51a-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png   电流调节器模型

电流调节器往往采用PI控制器,其传递函数为:

cf68f572-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png   数字控制延迟模型

电机在运行过程中,通常在电流采样点后半个或者一个PWM周期更新占空比,所以电流控制器得到的给定电压通常会延迟半个或者一个PWM载波周期才产生作用,因此环路存在一个寄存器重载的延迟。以半周期更新为例,延迟在复频域中表示为cfc9958a-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png该延迟是非线性的,无法利用常规方法进行传递函数分析。为便于参数整定,可用一阶惯性环节替代:

d02dec92-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png   逆变器开关管通断延迟模型

逆变器开关管通断延迟模型:

开关管开关延迟一般指的是实际系统中逆变器开关管开通关断滞后,针对开关延迟将这部分的延迟环节在复频域中表示为d08cf7aa-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png,利用一阶惯性环节进行近似等效替代,其中Td往往是一个较小值。如Eqn.5:

d0f3577a-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png   PWM调制带来的输出延迟模型

虽然脉冲宽度调制(PWM调制)可以对任意模拟信号进行数字编码,但是由于数字器件以及功率模块的限制,使得编码时基不会无限小,也就是说PWM模块的输出相对于给定信号会有一定的滞后延迟。

Figure1所示为占空比输出示意图和所输出的平均电压值,其中T0~T1时刻占空比为0,输出电压为0;T1~T2时刻占空比为50%,输出电压为Vdc/2;T2~T3时刻占空比为100%,输出电压为Vdc。

在T0~T1时刻,逆变器得到的占空比指令为0,而逆变器所输出的电压值也为零,从图中可以看出从得到指令到输出电压值这期间的延时为0,也就是说当占空比为0时,逆变器的延时时间为0。

当在T2~T3时刻逆变器得到的占空比指令为100%,而要在一个周期中输出Vdc·Tpwm这么大的冲量所需时间为1Tpwm,这也就表明当占空比为100%时,逆变器的输出延时为1Tpwm。

当占空比在0~100%之间时,可以认为逆变器的输出延时时间在0~1Tpwm之间。因此一般将逆变器输出延迟数学模型化为时间常数为0.5Tpwm的滞后环节,为方便理论分析,可将逆变器的数学模型进一步简化为一个一阶惯性环节,如式Eqn.6。

d1522674-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png

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逆变器开关管通断延迟一般是一个十分小的惯性环节,因此在这里我们对其忽略不计。对以上介绍的环节搭建传递函数框图,进行电流环设计:

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开环传递函数:

d27e1396-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png

将惯量较大环节进行零极点消除,d2de85c8-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png

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延迟环节相乘消除高阶项:

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该传递函数为一个典型Ⅱ型系统,其闭环传递函数:

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当d46f8bf8-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png时,系统为最佳整定,此时阻尼比为0.707。那么最终的PI参数整定方案即:d4d10798-c02a-11f0-8c8f-92fbcf53809c.png

好啦,本次的电流环参数设计介绍就结束了,下篇将会针对如何进一步提高电流环带宽进行介绍。

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