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超低速大慣量比永磁（cí）同步電機高精度位置伺服控製研究

2017-8-11 來（lái）源：上海大學機電工程與自動化學院，上（shàng）海作者：趙劍飛劉建（jiàn）波丁朋飛翟雪鬆

摘要：針對航天係統中超低速、大慣量比條件（jiàn）下永磁同（tóng）步電機（PMSM）高精度位（wèi）置伺服控製這（zhè）一難題，通過建立PMSM數學模型，基於矢（shǐ）量控製策略，采用電流環、速度環及帶（dài）速度前饋位置環的三閉環控製結構，建立了基（jī）於直驅方式的 PMSM位置伺服控製係（xì）統，並對（duì）其控製環路（lù）進行設計。在（zài）此基礎上（shàng）對伺服係統的（de）位置（zhì）跟蹤性能進行了分析和驗證。最後基於 EAS開發平台對（duì）係（xì）統進行（háng）了實現。實驗結果表明：基於直驅方式的 PMSM 能夠實現（xiàn）超低速、大慣量比條件下的高精度位置伺服控（kòng）製，其位置控製精度小於 3 角秒，能夠為航天係統應用設（shè）計提（tí）供參考依據。

關鍵詞：超低速，大慣量比（bǐ），高精度，永磁同步（bù）電機（jī），位（wèi）置伺服，PI 調節器

具有超低速、大（dà）慣量比（bǐ）、高精（jīng）度的電機伺服係統被廣泛應用於航天設備（bèi）上。為了實現高（gāo）性能控製，研究者分別從伺服驅動係（xì）統中的控製策略、檢測元件、執行機構等方麵進行了分析和研（yán）究。文獻采用基於 DSP 與 CPLD 的數（shù）字控製器，結（jié）合矢量控製算法，也提高了 PMSM 位置控製精度。但都沒有對超低速、大慣量比條（tiáo）件下（xià）永磁同步電機的位置伺服控（kòng）製問題進行深入研（yán）究。本（běn）文對基於永磁（cí）同步電機的高精度位置伺服控製問（wèn）題進行研究，基於永磁同步電機（jī）數學（xué）模型，對其控製環路進行具體設計。

1 .高精度（dù）位置伺服係統構成與控製環路設計（jì）

1．1 基於 PMSM 的高精度伺服係統的構成

衛星掃描機構（gòu）地麵模擬裝置是一種高精度的位置（zhì）伺服控製係統，負載為掃（sǎo）描鏡，負載與電機轉動慣量比很大（dà），掃描速度低，最大轉速為每分鍾幾轉，位置控製精度要（yào）求（qiú）高，一般在角秒級。該係統具體構成如圖 1 所示：

圖 1永磁同步機伺服係統構成

係統設計采用電流環、速（sù）度環及帶（dài）速度前饋位（wèi）置環的（de）多閉環控製結構（gòu），PMSM 采用在 d、q 同步旋轉坐標係下 id＝0 時（shí）矢量控製方式下的數學模（mó）型。控製環路設計包括電流環調節器（ACR）、速度環調節器（ASR）、位置（zhì）環調節器（APR）及速度前饋調節器（qì） G（s）的設計。係統控製結構圖如圖 2 所示（shì）。

1．2 電流環設（shè）計

圖 2 所示永磁同步電機控製結（jié）構中，內環是電流環，在電流環中，電流調節器（ACR）控製對象由（yóu）逆變器和永磁同步電機組成。在 PMSM 動態結構中，反（fǎn）電動（dòng）勢變化較慢（màn），通常認為電流瞬變過程中反電動勢基本不變，因此在（zài）設計電流環時可以忽略其（qí）動態影響。另外，逆變器是一階慣（guàn）性環（huán）節，其傳遞函數為：

圖 3電流環（huán）動態結構圖

1．3 速度環設計

忽略轉子阻尼情況下，為了（le）設計（jì）速度環調節器，對式（4）所示電流環傳遞函數采用高階係統降階近似處理方（fāng）法，忽略高次項。可以得到速度環（huán）控製對象傳遞函數為：

式中：ωref（S）為電機機械角速度參考值；Kps為速度調節器比例（lì）係數；τps為速度調節（jiē）器積分時間（jiān）常數得到整個速（sù）度環的（de）等效動態結構圖如圖 4 所示。

圖 4速度（dù）環動態結構圖

1．4 位置（zhì）環設計

位置環為係統（tǒng）的最外環，直（zhí）接接收（shōu）外部（bù）位置控製指令（lìng），位置調（diào）節器控製對象為速度環和一個速度積分環節。為了便於分析，與設計速度環類似，設計位置環時可以對速度環傳遞函（hán）數采用高階係（xì）統降（jiàng）階近似處理方法，可以得到位置環控製對象傳遞函數為：

位置（zhì）調節器要求（qiú）控製的快速性。將位置環設計為典型 I 型係統（tǒng），係統階躍（yuè）輸（shū）入響應無穩態誤差，但響應速度慢，而對斜坡（pō）輸入響（xiǎng）應會產生穩態誤差，無法（fǎ）滿足位置跟蹤控製精度的（de）要求。為此，在位置環加入速度前饋控製，與位置反饋一起構成複合控製，得到位置環動態（tài）結構如（rú）圖 5 所示。

圖 5位（wèi）置環動態結構圖

但理想的微分環節是不存在的，而且高階微分運（yùn）算實現困難，還會引（yǐn）入高頻幹擾信號，所以前饋環（huán）節（jiē）一般采（cǎi）取 G（S）＝αS（α 為速度前饋微分係數（shù））的普遍形式。通過實（shí）驗方法選（xuǎn）擇合適的微分係數，從而完成位置環設計。

2 .位（wèi）置伺服控製實驗測試結（jié）果（guǒ）

為進一步驗（yàn）證控製環路設計（jì）的有效性，搭建永磁同步電機位（wèi）置（zhì）伺服（fú）控製係統實（shí）驗平台。實驗中采（cǎi）用 Kollmorgen 公司的RBE－2110B 永磁同步電機，電機直驅轉動慣量為 0．06kgm2 的掃描盤；編碼器選用德國海德漢公司 26bit 絕對式編碼器；電機驅動器采用 Elmo 公司 Gold 係列驅動器，基於 EAS 軟件開發平（píng）台進行位（wèi）置伺服控製程（chéng）序開發。

2．1 控製環路參數設計

通過 EAS 軟件對係統進行（háng）參數（shù）辨識，根（gēn）據辨（biàn）識結果，結合實驗方法進行控製（zhì）器（qì）參數調整，依次設計出（chū）電流環調節（jiē）器、速度環調節器、位置環調節器的參數。設計的各調節器參數為：

2．2 周（zhōu）期（qī）掃描輸入（rù）係統響應實驗測試

如前所述，按照實際係統設計中的掃描運動規律，給定實驗係統周期位置掃描輸入，係統在該輸（shū）入下的位置跟蹤（zōng）實驗結果如圖 6～圖（tú） 8 所示。

圖 6周期掃描輸（shū）入位置跟蹤實（shí）驗結果

圖 7周期掃描輸入位置跟蹤誤差

由圖看出實驗結果與設計（jì）預期總體趨勢一致，係統在掃描轉向階段位置誤差（chà）較大，但仍然能夠快速跟上給定位置，在勻速掃描階段開始前進入 3 角秒的位置誤差範圍，能（néng）夠（gòu）滿足係統設計要求。

DC ／ DC 變換器（qì）的 EMI 測試包括傳導幹擾測（cè）試和輻射幹擾測試。參（cān）考 GBT18655 標準（zhǔn），對於傳導幹擾測試的頻域要求是150k Hz～108MHz，圖 8a 是（shì）優化前低壓輸出端正極傳導幹擾均值和峰值的測試結果。可以得出，DC／DC 變（biàn）換器低壓輸出端在 40MHz頻點周圍的（de）傳導幹擾達到 74．8d BμV，超出標準限值（50d BμV）接近25d BμV，結果表明 DC ／ DC 變換器開關過程中形成了嚴重的傳導幹擾。圖 8b 和 c 是（shì） DC ／ DC 變換器在 150k Hz～200MHz 頻（pín）域範圍內垂直方向的（de）輻射幹擾測試結果，可以觀察到，200k Hz頻點周圍的（de）輻射幹擾超過限值約（yuē） 4d BμV，在 67MHz 和 76MHz處分別（bié）超過限值 10．5d BμV、12．3d BμV，表明 DC ／ DC 變換器開（kāi）關過程中形成了嚴重的輻射幹擾。

圖 9 給出了增加（jiā）優化措施後的 DC ／ DC 變換器實驗波形，其中圖 9a 是優化後低壓輸出端正（zhèng）極傳導幹擾測試結果，圖 9b和 c 是優化後 DC ／ DC 變換器在 150k Hz～200MHz 頻域範圍內（nèi）垂直方射幹擾測試結果。實驗結果表明，通過（guò）增加包括應用（yòng）軟開關（guān）技術，增加（jiā）輸出整流二極（jí）管吸收電路，\改善（shàn） EMI 濾波器，減小分布及寄生參數等優化措施後，大幅度降低了 DC ／ DC變換器的（de）傳導幹擾和輻射幹（gàn）擾，使 DC ／ DC 變換器達至GBT18655 標準。

圖 9優化後實驗波形

3 .結（jié）束語

製作的 2k W 樣機有效利用移相全橋軟開關技術、EMI 濾波技術，並改善吸收電路和分布參數等措施，驗證優化後的 DC ／DC 變換（huàn）器電磁幹擾達到了 GBT18655 標準的基本要求，改善（shàn）了電動汽車（chē） DC ／ DC 變換器的（de）電磁環境。

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