超低速大慣量比永磁同步電機高精度位置伺服控制研究
2017-8-11 來源：上海大學機電工程與自動化學院，上海 作者： 趙劍飛 劉建波 丁朋飛 翟雪松
摘要：針對航天系統中超低速、大慣量比條件下永磁同步電機（PMSM）高精度位置伺服控制這一難題，通過建立PMSM數學模型，基于矢量控制策略，采用電流環、速度環及帶速度前饋位置環的三閉環控制結構，建立了基于直驅方式的 PMSM位置伺服控制系統，并對其控制環路進行設計。 在此基礎上對伺服系統的位置跟蹤性能進行了分析和驗證。 最后基于 EAS開發平臺對系統進行了實現。 實驗結果表明：基于直驅方式的 PMSM 能夠實現超低速、大慣量比條件下的高精度位置伺服控制，其位置控制精度小于 3 角秒，能夠為航天系統應用設計提供參考依據。
關鍵詞：超低速，大慣量比，高精度，永磁同步電機，位置伺服，PI 調節器
具有超低速、大慣量比、高精度的電機伺服系統被廣泛應用于航天設備上。 為了實現高性能控制，研究者分別從伺服驅動系統中的控制策略、檢測元件、執行機構等方面進行了分析和研究。文獻采用基于 DSP 與 CPLD 的數字控制器，結合矢量控制算法，也提高了 PMSM 位置控制精度。 但都沒有對超低速、大慣量比條件下永磁同步電機的位置伺服控制問題進行深入研究。 本文對基于永磁同步電機的高精度位置伺服控制問題進行研究，基于永磁同步電機數學模型，對其控制環路進行具體設計。
1 .高精度位置伺服系統構成與控制環路設計
1．1 基于 PMSM 的高精度伺服系統的構成
衛星掃描機構地面模擬裝置是一種高精度的位置伺服控制系統，負載為掃描鏡，負載與電機轉動慣量比很大，掃描速度低，最大轉速為每分鐘幾轉，位置控制精度要求高，一般在角秒級。該系統具體構成如圖 1 所示：
圖 1永磁同步機伺服系統構成
系統設計采用電流環、 速度環及帶速度前饋位置環的多閉環控制結構，PMSM 采用在 d、q 同步旋轉坐標系下 id＝0 時矢量控制方式下的數學模型。 控制環路設計包括電流環調節器（ACR）、速度環調節器 （ASR）、位置環調節器 （APR）及速度前饋調節器 G（s）的設計。 系統控制結構圖如圖 2 所示。
1．2 電流環設計
圖 2 所示永磁同步電機控制結構中，內環是電流環，在電流環中，電流調節器（ACR）控制對象由逆變器和永磁同步電機組成。 在 PMSM 動態結構中，反電動勢變化較慢，通常認為電流瞬變過程中反電動勢基本不變， 因此在設計電流環時可以忽略其動態影響。 另外，逆變器是一階慣性環節，其 傳遞函數為 ：
圖 3電流環動態結構圖
1．3 速度環設計
忽略轉子阻尼情況下，為了設計速度環調節器，對式（4）所示電流環傳遞函數采用高階系統降階近似處理方法， 忽略高次項。 可以得到速度環控制對象傳遞函數為：
式中：ωref（S） 為 電機機械角速度參考值 ；Kps為速度調節器比例系數；τps為速度調節器積分時間常數得到整個速度環的等效動態結構圖如圖 4 所示。
圖 4速度環動態結構圖
1．4 位置環設計
位置環為系統的最外環，直接接收外部位置控制指令，位置調節器控制對象為速度環和一個速度積分環節。為了便于分析，與設計速度環類似， 設計位置環時可以對速度環傳遞函數采用高階系統降階近似處理方法，可以得到位置環控制對象傳遞函數為：
位置調節器要求控制的快速性。 將位置環設計為典型 I 型系統，系統階躍輸入響應無穩態誤差，但響應速度慢，而對斜坡輸入響應會產生穩態誤差，無法滿足位置跟蹤控制精度的要求。為此，在位置環加入速度前饋控制，與位置反饋一起構成復合控制，得到位置環動態結構如圖 5 所示。
圖 5位置環動態結構圖
但理想的微分環節是不存在的， 而且高階微分運算實現困難，還會引入高頻干擾信號，所以前饋環節一般采取 G（S）＝αS（α 為速度前饋微分系數 ）的 普遍形式。 通過實驗方法選擇合適的微分系數，從而完成位置環設計。
2 .位置伺服控制實驗測試結果
為進一步驗證控制環路設計的有效性， 搭建永磁同步電機位置伺服控制系統實驗平臺。 實驗中采用 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 系列驅動器，基于 EAS 軟件開發平臺進行位置伺服控制程序開發。
2．1 控制環路參數設計
通過 EAS 軟件對系統進行參數辨識，根據辨識結果，結合實驗方法進行控制器參數調整，依次設計出電流環調節器、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 周期掃描輸入系統響應實驗測試
如前所述，按照實際系統設計中的掃描運動規律，給定實驗系統周期位置掃描輸入， 系統在該輸入下的位置跟蹤實驗結果如圖 6～圖 8 所示。
圖 6周期掃描輸入位置跟蹤實驗結果
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預期總體趨勢一致， 系統在掃描轉向階段位置誤差較大，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 角秒的位置誤差范圍， 能夠滿足系統設計要求。
DC ／ DC 變換器的 EMI 測試包括傳導干擾測試和輻射干擾測試。 參考 GBT18655 標準，對于傳導干擾測試的頻域要求是150k Hz～108MHz，圖 8a 是優化前低壓輸出端正極傳導干擾均值和峰值的測試結果。 可以得出，DC／DC 變換器低壓輸出端在 40MHz頻點周圍的傳導干擾達到 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干擾。 圖 8b 和 c 是 DC ／ DC 變換器在 150k Hz～200MHz 頻域范圍內垂直方向的輻射干擾測試結果， 可以觀察到，200k Hz頻點周圍的輻射干擾超過限值約 4d BμV，在 67MHz 和 76MHz處分別超過限值 10．5d BμV、12．3d BμV，表明 DC ／ DC 變換器開關過程中形成了嚴重的輻射干擾。
圖 9 給出了增加優化措施后的 DC ／ DC 變換器實驗波形，其中圖 9a 是優化后低壓輸出端正極傳導干擾測試結果， 圖 9b和 c 是優化后 DC ／ DC 變換器在 150k Hz～200MHz 頻域范圍內垂直方射干擾測試結果。 實驗結果表明，通過增加包括應用軟開關技術，增加輸出整流二極管吸收電路，\改善 EMI 濾波器，減小分布及寄生參數等優化措施后，大幅度降低了 DC ／ DC變換器的傳導干擾和輻 射干擾 ， 使 DC ／ DC 變 換 器 達 至GBT18655 標準。
圖 9優化后實驗波形
3 .結束語
制作的 2k W 樣機有效利用移相全橋軟開關技術、EMI 濾波技術，并改善吸收電路和分布參數等措施，驗證優化后的 DC ／DC 變換器電磁干擾達到了 GBT18655 標準的基本要求 ， 改善了電動汽車 DC ／ DC 變換器的電磁環境。
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