前言
本章采用工程设计方法推导了电流环PI调节器参数的计算公式,从而设计了永磁同步电机磁场定向控制的电流内环PI调节器参数,并通过Matlab/Matlab对设计的PI进行调节。利用该装置进行Simulink Bode图分析,最后通过设计实例进行仿真验证。
1、调节器工程设计方法
实施调节器的工程化设计方法,首先要简化问题,突出设计的主要矛盾。简化的基本思想是将调节器设计过程分为两步:
1、选择调节器的结构,保证系统稳定性,满足所需的稳态精度。
2.然后选择调节器的参数以满足系统动态性能指标的要求。
选择调节器结构以使系统满足所需的稳态精度是设计过程的第一步。由于类及以上系统难以稳定,因此常将类系统和类系统作为系统设计的目标。
2、电流环PI调节器参数整定
工程设计方法的原则是:先设计内环,再设计外环。因此,对于永磁同步电机磁场定向控制系统,首先设计电流内环PI调节器,将电流环修正为典型的I型系统。
2.1.电流环结构框图
对于表贴式SPM永磁同步电机,常采用Id=0进行控制,使定子电流全部用于产生电磁转矩。由于dq轴电流内环具有对称性和相似的系统特性,因此d轴和q轴电流调节器的参数设置过程类似。本章以q轴电流调节器的参数设置为例进行设计。
上图是控制系统电流环结构框图。 q轴电流给定值iq*与q轴电流反馈值iq之间的误差作为电流环的输入。该误差通过PI调节器输出q轴电压控制信号Uq,并受Uq控制。电磁扭矩。
通过以下处理,进一步简化了电流环的结构框图。
电流环的结构框图简化为:
2.2.典型的I 类系统
取T=0.001,K=100,画出典型I型系统的伯德图:
从上图可以看出,典型I型系统的对数幅频特性的中频段以-20dB/dec的斜率与0dB线相交。只要参数选择能够保证足够的中频带宽,系统一定是稳定的。典型的I型系统仅包含两个参数:开环增益K和时间常数T。时间常数T通常是控制对象本身固有的。系统中唯一可变的变量是开环增益K。设计时根据性能指标选择K的大小。
但上式也表明,K值越大,截止频率wc越大,系统响应越快,但相位角裕度越来越小,系统稳定性也越来越差。它们之间存在矛盾,在选择参数K时应折衷两者。工程设计时,一般参照典型I型系统动态性能指标参数表选择K值。
2.3.电流环PI参数整定计算公式
3. 电流环PI调节器设计实例
3.1.永磁同步电机磁场定向电流闭环控制
磁场定向永磁同步电机电流闭环控制的详细分析,请阅读。
3.2.电流环PI参数计算
电机参数如下:
设置电流环采样频率为20KHz,即Ts=0.00005s,由电流环PI调节器参数计算公式计算得出:
该系统的伯德图绘制如下:
截止频率wc=4550,相角裕度为65.5,与下表中KT=0.5的系统性能指标一致,表明PI控制器设计成功。
下图是系统闭环传递函数的伯德图。从图中可以看出,系统的带宽频率约为7100rad/s。
3.3.仿真分析
将Kp=5.25和Ki=3750带入当前闭环仿真模型dq轴的PI调节器中进行仿真分析。结果如下:
电机转速:
电机定子电流:
转子位置:
同步旋转坐标系中的定子电流Id、Iq:电机启动时,以设定的最大电流1A启动。当速度达到稳态值时,电流立即下降,实现了理想最优的启动过渡过程,体现了电流控制器的参数设计成功。当然,如果控制效果不好,可以根据工程设计参数进行参数微调。
同步旋转坐标系中的定子电压:
电磁扭矩:
总结
本章采用工程设计方法推导了电流环PI调节器参数的计算公式,从而设计了永磁同步电机磁场定向控制的电流内环PI调节器参数,并利用Matlab/Simulink进行了比较设计的PI调节器通过伯德图进行分析,最后通过设计实例进行仿真验证,为后续分析奠定基础。