永磁同步電機(jī)高性能控制器的pi參數(shù)整定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種永磁同步電機(jī)高性能控制器的PI參數(shù)整定方法，屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括：采樣電機(jī)繞組電流；建立電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；繪制PI參數(shù)穩(wěn)定域；根據(jù)頻域性能指標(biāo)相位裕度和幅值裕度分析穩(wěn)定性，繪制期望裕度域；根據(jù)時(shí)域性能指標(biāo)超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間分析動態(tài)性，繪制以PI參數(shù)和性能指標(biāo)的三維圖；完成PI參數(shù)多目標(biāo)尋優(yōu)，整定結(jié)果作為控制器中PI調(diào)節(jié)器系數(shù)。本發(fā)明提供的方法具有顯著優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：1、兼顧了時(shí)域和頻域多個指標(biāo)，保證系統(tǒng)具有較高的魯棒性和良好的動態(tài)性能；2、通過可視化分析直接揭示系統(tǒng)的性能指標(biāo)和參數(shù)的變化關(guān)系，指明了PI參數(shù)的調(diào)試方向；3實(shí)現(xiàn)了模塊化和程序化，可移植性強(qiáng)。
【專利說明】
永磁同步電機(jī)高性能控制器的PI參數(shù)整定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電機(jī)控制系統(tǒng)電流環(huán)pi參數(shù)整定方法，特別是涉及時(shí)域和頻域多個性 能指標(biāo)的可視化分析方法，屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機(jī)(PMSM)具有高功率密度、高效率和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，在電動汽車領(lǐng)域 得到越來越多的應(yīng)用。電機(jī)控制器(又稱為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)）是電動汽車的"大腦"，對于電機(jī) 控制器的基本要求有：1)安全可靠，在系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)仍然穩(wěn)定運(yùn)行；2)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快， 滿足車輛快速起動、超車等要求;3)弱磁電壓調(diào)節(jié)快，適應(yīng)車輛高速運(yùn)行。電流環(huán)是控制系 統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，電流采樣值通過PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對給定值的跟蹤。因此提高電機(jī)控制器性能，需要 整定出最優(yōu)的PI參數(shù)，滿足多個性能指標(biāo)要求。
[0003] PI參數(shù)的整定方法很多，按照是否通過性能指標(biāo)來整定PI參數(shù)，可以分為兩類:第 一類方法為直接整定法，通過工程經(jīng)驗(yàn)或者法則獲得PI參數(shù)，再求解性能指標(biāo)來驗(yàn)證PIS 數(shù)的整定效果;第二類方法為間接整定法，先分析系統(tǒng)的性能指標(biāo)，再通過給定指標(biāo)來整定 PI參數(shù)。
[0004] 直接整定法主要有：Ziegler-Nichols法、人工手動調(diào)節(jié)法和典型系統(tǒng)整定法。 Ziegler-Nichols法在工程中應(yīng)用最為廣泛，其整定過程為:首先要獲取系統(tǒng)的臨界頻率點(diǎn) 信息，然后根據(jù)ZN法則得到PI系數(shù)。直接整定法存在以下不足：
[0005] 1)依賴經(jīng)驗(yàn)值，難以達(dá)到期望的性能指標(biāo)，整定效果較差；
[0006] 2)無法揭示系統(tǒng)性能指標(biāo)和參數(shù)的變化關(guān)系，參數(shù)的調(diào)試方向未知，需要反復(fù)試 湊。
[0007] 間接整定法從系統(tǒng)性能指標(biāo)出發(fā)來整定PI參數(shù)。文獻(xiàn)"Lidozzi A，Solero L, Crescimbini F，et al.Direct tuning strategy for speed controlled PMSM drives [C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics·2010:1265-1270, ("速度控制PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的直接調(diào)試策略"，《IEEE工業(yè)電子國際研討會》，2010年第1265-1270頁)通過給定開環(huán)截止頻率和相位裕度來計(jì)算PI參數(shù)，可以滿足期望的動態(tài)性能。該方 法通過解析式推導(dǎo)裕度和PI參數(shù)的關(guān)系，運(yùn)算量較大。文獻(xiàn)"Fung H W，Wang Q G，Lee T H.PI Tuning in Terms of Gain and Phase Margins[J].Automatica,1998,34(9):1145-1149"（"一種基于幅值和相位裕度的PI調(diào)節(jié)方法"，《自動化》，1998年第59卷第9期1145-1149頁)首次提出采用圖解方法來整定PI參數(shù)，避免了解析式法的大量預(yù)算。文獻(xiàn)"Hamamci S E,Tan N.Design of PI controllers for achieving time and frequency domain specifications simultaneously!! J] · Isa Transactions, 2006,45(4): 529-543 ,( "同時(shí) 實(shí)現(xiàn)時(shí)域和頻域性能指標(biāo)的PI控制器設(shè)計(jì)"，《Isa Transactions》，2006年第45卷第4期 529-543頁）給出了期望性能指標(biāo)和參數(shù)的圖示關(guān)系，同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)域和頻域性能指標(biāo)的設(shè) 計(jì)。這些方法存在以下不足：
[0008] 1)忽略或者近似處理數(shù)字化過程中的延時(shí)環(huán)節(jié)，將PMSM驅(qū)動系統(tǒng)近似為線性系 統(tǒng)，降低了 PI參數(shù)整定的準(zhǔn)確度；
[0009] 2)針對PMSM控制器，沒有一個通用的PI參數(shù)整定方法，可以獲取滿足時(shí)域和頻域 多個性能指標(biāo)的參數(shù)團(tuán)解，無法完成多目標(biāo)優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的需要反復(fù)試湊和整定效果差 的問題，提供了一種可以兼顧時(shí)域和頻域多個性能指標(biāo)的可視化分析方法，得到滿足期望 指標(biāo)的全部解，并且指明性能改進(jìn)的方向，考慮數(shù)字化過程中延時(shí)的影響，提高PI參數(shù)的整 定精度。
[0011] 為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：
[0012] 1、一種永磁同步電機(jī)高性能控制器的PI參數(shù)整定方法，以圖解的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn) 定性和動態(tài)性指標(biāo)的分析和PI參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化，所述的PI參數(shù)包括PI調(diào)節(jié)器比例項(xiàng)系數(shù)K P 和PI調(diào)節(jié)器積分項(xiàng)系數(shù)，其特征在于，包括以下步驟：
[0013] 步驟1，采樣得到離散的三相繞組電流信號，其主頻譜幅值衰減為連續(xù)信號的+， ,s Ts為采樣周期，三相繞組電流信號經(jīng)過坐標(biāo)變換得到兩相旋轉(zhuǎn)電流id和iq，id為d軸電流，iq 為q軸電流；
[0014] 步驟2,建立電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，如下式所示：
[0015]
[0016]其中，Φ(?〇為系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，L為電機(jī)電感，R為電機(jī)電阻，KPSPI調(diào)節(jié)器比例 項(xiàng)系數(shù)，Κ^ΡΙ調(diào)節(jié)器積分項(xiàng)系數(shù)，為采用滯后一拍控制引入的延時(shí)，??為1^輸 & 出過程等效為零階保持器的延時(shí)，s為拉普拉斯算子；
[0017]步驟3，以心為橫軸，Ki為縱軸，建立ΡΙ參數(shù)平面坐標(biāo)系，繪制ΡΙ參數(shù)穩(wěn)定域，得到ΚΡ 和Ki的穩(wěn)定區(qū)間；
[0018] 步驟4，根據(jù)頻域性能指標(biāo)相位裕度P和幅值裕度A分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，在PI參數(shù)平面 坐標(biāo)系中，繪制滿足，及A>Aexp的期望裕度域，其中&^為工程中要求的相位裕度下 限，為工程中要求的幅值裕度下限；
[0019] 步驟5,根據(jù)時(shí)域性能指標(biāo)超調(diào)量δ和調(diào)節(jié)時(shí)間七分析系統(tǒng)動態(tài)性，在步驟4所得的 期望裕度域內(nèi)，以心和心為自變量，分別作出以δ和七為目標(biāo)函數(shù)的三維圖；
[0020] 步驟6,在步驟5所得的三維圖中進(jìn)行ΡΙ參數(shù)尋優(yōu)，即分析動態(tài)性能指標(biāo)與ΡΙ參數(shù) 的變化關(guān)系，以減小3和^為目標(biāo)，整定出最優(yōu)的ΡΙ參數(shù)值，作為電機(jī)控制器中ΡΙ調(diào)節(jié)器的 系數(shù)。
[0021] 優(yōu)選地，步驟3所述的繪制ΡΙ參數(shù)穩(wěn)定域的步驟包括以下步驟：
[0022] (1)根據(jù)步驟2所述的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ(8)，系統(tǒng)的頻率特性D(jco)函數(shù)的表 達(dá)式如下：
[0023]
[0024] 其中，ω為系統(tǒng)的頻率，j為虛數(shù)單位；
[0025] (2)根據(jù)步驟(1)所述的頻率特性，令D(jco) = 〇求穩(wěn)定邊界，在PI參數(shù)平面坐標(biāo)系 中，系統(tǒng)的穩(wěn)定邊界B表示如下：
[0026] B = BoUB?UBc?
[0027] 其中，Bo為ω = 〇時(shí)的穩(wěn)定邊界，Βω為0〈 ω〈〇〇時(shí)的穩(wěn)定邊界，Β~為ω = 〇〇時(shí)的穩(wěn)定 邊界，U表示并集；
[0028] (3)根據(jù)步驟(2)所述的穩(wěn)定邊界Β求解ΡΙ參數(shù)心和心，設(shè)Bo得到{&=▽，為二〇}:， Β?得到與KjPKi無關(guān)的解，Βω得到的PI參數(shù)表達(dá)式為：
[0029]
[0030]
[0031] (4)根據(jù)步驟(3)所述的ΡΙ參數(shù)表達(dá)式，在ΡΙ參數(shù)平面坐標(biāo)系內(nèi)繪制出系統(tǒng)臨界穩(wěn) 定曲線，得至IjKp和Ki的穩(wěn)定區(qū)間。
[0032] 優(yōu)選地，步驟4所述的繪制期望裕度域包括以下步驟：
[0033] (1)設(shè)PI參數(shù)KP和Ki與幅值裕度A、相位裕度P的參數(shù)表達(dá)式如下：
[0034]
[0035]
[0036] (2)根據(jù)步驟⑴所述的表達(dá)式繪制裕度曲線：令A(yù) = AMP，p = 〇,繪制幅值裕度為 Aexp的曲線GM;令A(yù) = 1，供=歡耶，繪制相位裕度為U勺曲線PM;
[0037] (3)將步驟(2)得到的GM和PM繪制在同一個PI參數(shù)平面坐標(biāo)系中，圍成區(qū)域的交集 部分為期望裕度域，即滿足?'9 > 及A>Aexp。
[0038] 優(yōu)選地，步驟5所述的超調(diào)量δ如下式所示：
[0039]
[0040] 其中，tP為峰值時(shí)間，c(tP)為系統(tǒng)階躍響應(yīng)最大值，c(°〇)為系統(tǒng)階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)輸 出量。
[0041] 優(yōu)選地，步驟5所述的調(diào)節(jié)時(shí)間七表示系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出量c(tP)保持在5%的誤差 帶以內(nèi)的最小時(shí)間，如下式所示：
[0042] 0.95c(①）〈c(ts)〈1.05c(①）
[0043] c (ts)表示系統(tǒng)階躍響應(yīng)在^時(shí)刻的輸出量。
[0044] 采用本發(fā)明后，可以高效地選取滿足期望性能指標(biāo)的最優(yōu)解，同時(shí)有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0045] 1、直接揭示系統(tǒng)的多個性能指標(biāo)和參數(shù)的變化關(guān)系，指明了PI參數(shù)調(diào)試的方向， 便于多目標(biāo)優(yōu)化；
[0046] 2、考慮數(shù)字化過程中延時(shí)的影響，提高PI參數(shù)整定的準(zhǔn)確度；
[0047] 3、提供了一種模塊化、程序化的算法，若系統(tǒng)參數(shù)和約束條件改變，只需更改部分 程序即可，可移植性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0048]圖1為本發(fā)明方法的實(shí)施流程圖。
[0049] 圖2為永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0050] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)的完整穩(wěn)定域。
[0051] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的期望裕度域。
[0052]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中開環(huán)截止頻率與PI參數(shù)的量化關(guān)系圖。
[0053]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)超調(diào)量以及調(diào)節(jié)時(shí)間與PI參數(shù)的量化關(guān)系圖。
[0054 ]圖7為本發(fā)明方法和Z i e g 1 er-Ni cho 1 s法整定值的階躍響應(yīng)對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055]下面結(jié)合附圖，來說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0056]圖1為本發(fā)明方法流程圖，主要包括采樣電機(jī)繞組電流S01，建立電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型S02，繪制PI參數(shù)穩(wěn)定域S03，繪制期望裕度域S04，繪制動態(tài)指標(biāo)三維圖S05以及PI 參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化S06。
[0057]采樣電機(jī)繞組電流S01，得到離散的三相繞組電流信號，其主頻譜幅值衰減為連續(xù) 信號的f，Ts為采樣周期，經(jīng)過坐標(biāo)變換得到d軸和q軸兩相旋轉(zhuǎn)電流。
[0058]建立電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型S02,考慮數(shù)字化過程中滯后一拍控制延時(shí)和零階 保持器延時(shí)，求出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。
[0059] 繪制PI參數(shù)穩(wěn)定域S03，PI參數(shù)包括心和1，1([)為？1調(diào)節(jié)器比例項(xiàng)系數(shù)，1^為？1調(diào)節(jié) 器積分項(xiàng)系數(shù)。以KP為橫軸為縱軸，建立參數(shù)平面坐標(biāo)系，繪制PI參數(shù)穩(wěn)定域，得到心和 Ki的穩(wěn)定區(qū)間。
[0060] 繪制期望裕度域S04,根據(jù)頻域性能指標(biāo)相位裕度夢和幅值裕度A分析系統(tǒng)穩(wěn)定 性。為了提高系統(tǒng)魯棒性，在運(yùn)行工況和參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，給定系統(tǒng)的裕度范 圍及A>A MP，其中為工程中要求的相位裕度下限，AMP為工程中要求的幅值裕度 下限。繪制出裕度曲線，并得到期望裕度域。
[0061] 繪制動態(tài)指標(biāo)三維圖S05,根據(jù)時(shí)域性能指標(biāo)超調(diào)量δ和調(diào)節(jié)時(shí)間ts分析系統(tǒng)動態(tài) 性，在期望裕度域內(nèi)，以心和心為自變量，分別作出以δ和七為目標(biāo)函數(shù)的三維圖。
[0062] ΡΙ參數(shù)多目標(biāo)尋優(yōu)S06，分析動態(tài)性能指標(biāo)與ΡΙ參數(shù)的變化關(guān)系，以減小δ和^為 目標(biāo)，整定出最優(yōu)的ΡΙ參數(shù)值，作為電機(jī)控制器中ΡΙ調(diào)節(jié)器的系數(shù)。
[0063]以一臺30kW永磁同步電機(jī)為例具體說明該方法的實(shí)施方式。已知電機(jī)的參數(shù)為： Ld = 0.31mH，Lq= 1.04mH，R = 6mΩ，系統(tǒng)的采樣頻率為Ts = 8400Hz。實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)高性 能控制器的PI參數(shù)整定方法包括以下步驟：
[0064] 步驟1，采樣得到離散的三相繞組電流信號，其主頻譜幅值衰減為連續(xù)信號的 Ts為采樣周期，三相繞組電流信號經(jīng)過坐標(biāo)變換得到兩相旋轉(zhuǎn)電流id和iq，id為d軸電流，iq 為q軸電流。
[0065] 步驟2,建立電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，如下式所示：
[0066]
[0067]其中，Φ (s)為系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，L為電機(jī)電感，R為電機(jī)電阻，KPSPI調(diào)節(jié)器比例 項(xiàng)系數(shù)，KAPI調(diào)節(jié)器積分項(xiàng)系數(shù)，為采用滯后一拍控制引入的延時(shí)，為P麗輸 $ 出過程等效為零階保持器的延時(shí)，S為拉普拉斯算子。
[0068] 以q軸為例進(jìn)行具體分析，加入前饋電流解耦后，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型變?yōu)?br>，Uq為電機(jī)q軸電壓，Lq為電機(jī)q軸電感，R為電機(jī)電阻?？紤]數(shù)字化控制 過程中延時(shí)的影響：
[0069] (1)采樣和計(jì)算過程造成最大占空比受限，采用滯后一拍控制，引入的延時(shí)為 e~^ ;
[0070] (2)PWM輸出過程等效為零階保持器，表示為1 i 4 ;
[0071] 圖2為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的q軸控制框圖，q軸電流iq經(jīng)過電流傳感器采樣得到離散的 電流信號iqs，電流指令值?與i qs的差值作為PI調(diào)節(jié)器的輸入。PI調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過一拍延 時(shí)得到電壓調(diào)制信號，再經(jīng)過P麗調(diào)制產(chǎn)生開關(guān)管的驅(qū)動信號，其中P麗增益表示為1(_，經(jīng) 過標(biāo)么化后其值為1。電機(jī)控制器輸出電壓u q作用于電機(jī)q軸，產(chǎn)生電流iq。
[0072] 得到系統(tǒng)的q軸閉環(huán)傳遞函數(shù)巾"幻如下式所示：
[0073]
[0074] 步驟3，以心為橫軸，Ki為縱軸，建立PI參數(shù)平面坐標(biāo)系，繪制PI參數(shù)穩(wěn)定域，得到KP 和Ki的穩(wěn)定區(qū)間。
[0075]具體包括以下步驟：
[0076] (1)根據(jù)步驟2所述的(1軸閉環(huán)傳遞函數(shù)(K(s)，得到頻率特性Dq(jco)的表達(dá)式如 下：
[0077]
[0078] 其中，ω為系統(tǒng)的頻率，j為虛數(shù)單位；
[0079] (2)根據(jù)步驟（1)所述的頻率特性表達(dá)式，令Dq(jco) = 〇求穩(wěn)定邊界，在PI參數(shù)平 面坐標(biāo)系中，系統(tǒng)的穩(wěn)定邊界B表示如下：
[0080] B = BoUB?UBc?
[0081 ] 其中，Bo為ω = 0時(shí)的穩(wěn)定邊界，Βω為0〈 ω〈①時(shí)的穩(wěn)定邊界，Β?為ω =①時(shí)的穩(wěn)定 邊界，U表示并集；
[0082] (3)根據(jù)步驟(2)所述的穩(wěn)定邊界B求解PI參數(shù)?αΡΙ，設(shè)Bo得到{&=^，& =$， Β~得到與KjPKi無關(guān)的解，Βω得到的PI參數(shù)表達(dá)式為：
[0083]
[0084]
[0085] (4)根據(jù)步驟(3)所述的PI參數(shù)表達(dá)式，在PI參數(shù)平面坐標(biāo)系內(nèi)繪制出系統(tǒng)臨界穩(wěn) 定曲線，得至IjKp和Ki的穩(wěn)定區(qū)間。
[0086] 圖3中的陰影區(qū)域?yàn)槔L制出的PI參數(shù)穩(wěn)定域，得到了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的全部PI參數(shù)。 KP可選取的最大值為9.58，此時(shí)Ki = 0; Ki可選取的最大值為18356，此時(shí)心為5.73。在PI參數(shù) 穩(wěn)定域內(nèi)尋優(yōu)可以保證系統(tǒng)始終穩(wěn)定，提高優(yōu)化效率。
[0087] 步驟4，根據(jù)頻域性能指標(biāo)相位裕度P和幅值裕度A分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，在PI參數(shù)平面 坐標(biāo)系中，繪制滿足的期望裕度域，其中^為工程中要求的相位裕度下 限，為工程中要求的幅值裕度下限。
[0088] 在本實(shí)施例中，由于系統(tǒng)參數(shù)變化會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，工程中要求幅值裕度大于 10dB，相位裕度大于50°。在參數(shù)平面坐標(biāo)系中，繪制滿足識> 50°及A>10dB的期望裕度域。
[0089] 所述的繪制期望裕度域包括以下步驟：
[0090] (1)設(shè)PI參數(shù)心和心與幅值裕度A、相位裕度P的參數(shù)表達(dá)式如下：
[0091]
[0092]
[0093] (2)根據(jù)步驟（1)所述的表達(dá)式繪制裕度曲線:令A(yù) = 3.1623,識=〇,繪制幅值裕度 為1 OdB的曲線GM;令A(yù) = 1淨(jìng)=50°，繪制相位裕度為50°的曲線PM;
[0094] (3)將步驟(2)得到的GM和PM繪制在同一個PI參數(shù)平面坐標(biāo)系中，圍成區(qū)域的交集 部分為期望裕度域，即滿足P 及A>Aexp。
[0095] 圖4中的陰影部分為期望裕度域，得到了滿足裕度要求的全部PI參數(shù)。當(dāng)PI參數(shù)為 PM曲線與GM曲線交點(diǎn)時(shí)，8卩1^ = 2.86，1^ = 1631時(shí)，系統(tǒng)的幅值裕度為10(^，相位裕度為50°。 當(dāng)PI參數(shù)為期望裕度域內(nèi)的點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)的幅值裕度大于10dB，相位裕度大于50°。在期望裕 度域內(nèi)尋優(yōu)，滿足魯棒性設(shè)計(jì)要求。
[0096] 步驟5,根據(jù)時(shí)域性能指標(biāo)超調(diào)量δ和調(diào)節(jié)時(shí)間七分析系統(tǒng)動態(tài)性，在步驟4所得的 期望裕度域內(nèi)，以心和心為自變量，分別作出以δ和七為目標(biāo)函數(shù)的三維圖。
[0097] 所述的超調(diào)量δ如下式所示：
[0098]
[0099] 其中，tP為峰值時(shí)間，c(tP)為系統(tǒng)階躍響應(yīng)最大值，c ( °〇 )為系統(tǒng)階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)輸 出量。
[0100] 所述的調(diào)節(jié)時(shí)間ts表示系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出量c (tP)保持在5 %的誤差帶以內(nèi)的最小 時(shí)間，如下式所示：
[0101] 0.95c(①）<c(ts)〈1.05c(①）
[01 02] c (ts)表示系統(tǒng)階躍響應(yīng)在ts時(shí)刻的輸出量。
[0103] 圖5為PI參數(shù)KP、Ki和超調(diào)量δ的三維圖，從圖中可知，κρ不變的情況下，增大Ki，系 統(tǒng)的超調(diào)量增加，最大可達(dá)到30.5%。從圖中可以直觀得到滿足恒定超調(diào)量的PI參數(shù)區(qū)域， 也可以獲知超調(diào)量較小的PI參數(shù)區(qū)域。
[0104] 圖6為PI參數(shù)KP、Ki和調(diào)節(jié)時(shí)間ts的變化關(guān)系，從圖中可知，PI參數(shù)值較小時(shí)，調(diào)節(jié) 時(shí)間較大，最大可達(dá)到〇.0962s。從圖中可以直觀得到滿足調(diào)節(jié)時(shí)間較小的PI參數(shù)區(qū)域 [0105]步驟6,在步驟5所得的三維圖中進(jìn)行PI參數(shù)尋優(yōu)，即分析動態(tài)性能指標(biāo)與PI參數(shù) 的變化關(guān)系，以減小3和^為目標(biāo)，整定出最優(yōu)的PI參數(shù)值，作為電機(jī)控制器中PI調(diào)節(jié)器的 系數(shù)。
[0106] 實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化和整定，主要從兩方面考慮：
[0107] (1)系統(tǒng)具有較高的魯棒性，在電感、磁鏈等參數(shù)變化的情況下仍然穩(wěn)定運(yùn)行。由 于圖5和圖6均是在圖4期望裕度域的基礎(chǔ)上繪制的，滿足了系統(tǒng)魯棒性要求。
[0108] (2)系統(tǒng)具有較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和弱磁電壓調(diào)節(jié)，可以滿足電動汽車快速起動、超車 以及高速運(yùn)行。結(jié)合圖5和圖6,以減小超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間為目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)，得到一組最優(yōu)的 PI參數(shù)，可以滿足系統(tǒng)動態(tài)性能要求。
[0109] 將可視化方法選取的PI參數(shù)記為KP_v和Ki_v，通過整定得到：當(dāng)K P_v=2.7，Ki_v = 80 時(shí)，系統(tǒng)滿足頻域和時(shí)域多個性能指標(biāo)要求。
[0110] 選擇工程上應(yīng)用廣泛的2丨68161-附〇11〇18法與本發(fā)明方法進(jìn)行比較，將該方法選 取的PI參數(shù)記為KP_ZN和Ki_ZN。采用Ziegler-Nichols法整定PI參數(shù)，首先令Ki = 0,調(diào)節(jié)心直 到系統(tǒng)系統(tǒng)臨界振蕩。臨界振蕩增益K。為9.5，臨界振蕩周期T。為0.714ms。然后再根據(jù)ZN法 貝 1J，可得 KP-zn=0 · 4KC = 3 · 8，Ki-ZN = 0 · 8/Tc = 1120。
[0111]分別從穩(wěn)定性和動態(tài)性兩方面比較兩種方法的整定效果。
[0112] 1)穩(wěn)定性比較。當(dāng)PI調(diào)節(jié)器系數(shù)選擇(Κρ+ν,Κυ)時(shí)，系統(tǒng)的幅值裕度為lldB，相位 裕度為63°，符合穩(wěn)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。當(dāng)PI調(diào)節(jié)器系數(shù)選擇(Κρ+ζΝ,Κυ)時(shí)，系統(tǒng)的幅值裕 度為7.81dB，相位裕度為48.2°，不符合穩(wěn)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。而且Ziegler-Nichols法沒有 指出調(diào)試方向，需要反復(fù)試湊才能找到符合期望裕度的參數(shù)。
[0113] 2)動態(tài)性比較。圖7為系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖，來對比兩種方法整定值在動態(tài)性能方面 的效果。實(shí)線代表選用的本文方法整定值，即當(dāng)PI參數(shù)選擇(VvA+v)時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量為 1.7 %，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.8ms。虛線代表選用2168161'-附〇11〇18法整定值，即當(dāng)？1參數(shù)選擇 (KP_ ZN，Ki_ZN)時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量為24.5%，調(diào)節(jié)時(shí)間為4.9ms。相比Ziegler-Nichols法，本文 方法整定出的PI參數(shù)使系統(tǒng)的動態(tài)性能有大幅度的提高。
[0114] 本發(fā)明提供的方法能夠兼顧頻域和時(shí)域性能指標(biāo)，使系統(tǒng)滿足良好的穩(wěn)定性和動 態(tài)性能。在PI參數(shù)域中表示性能指標(biāo)的量化關(guān)系，可以直觀地獲取具有工程價(jià)值的解。當(dāng)優(yōu) 化目標(biāo)和約束條件改變，只需要更改部分程序即可，可移植性強(qiáng)。此外，該方法還適用于采 用PR調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)，也適用于被控對象為異步電機(jī)或者并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種永磁同步電機(jī)高性能控制器的PI參數(shù)整定方法，以圖解的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性 和動態(tài)性指標(biāo)的分析和PI參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化，所述的PI參數(shù)包括PI調(diào)節(jié)器比例項(xiàng)系數(shù)KdPPi 調(diào)節(jié)器積分項(xiàng)系數(shù)K1，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，采樣得到離散的三相繞組電流信號，其主頻譜幅值衰減為連續(xù)信號的+，!^為 采樣周期，三相繞組電流信號經(jīng)過坐標(biāo)變換得到兩相旋轉(zhuǎn)電流id和iq，id為d軸電流，iqSq 軸電流； 步驟2，建立電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，如下式所示：其中，Φ (s)為系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，L為電機(jī)電感，R為電機(jī)電阻，KpSPI調(diào)節(jié)器比例項(xiàng)系 數(shù)，KAPI調(diào)節(jié)器積分項(xiàng)系數(shù)，pi為采用滯后一拍控制引入的延時(shí)，為HVM輸出過 Λ' 程等效為零階保持器的延時(shí)，S為拉普拉斯算子； 步驟3，以心為橫軸，Ki為縱軸，建立PI參數(shù)平面坐標(biāo)系，繪制PI參數(shù)穩(wěn)定域，得到KdPKi 的穩(wěn)定區(qū)間； 步驟4，根據(jù)頻域性能指標(biāo)相位裕度P和幅值裕度A分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，在PI參數(shù)平面坐標(biāo) 系中，繪制滿足及A>Aexp的期望裕度域，其中為工程中要求的相位裕度下限，Aexp 為工程中要求的幅值裕度下限； 步驟5,根據(jù)時(shí)域性能指標(biāo)超調(diào)量δ和調(diào)節(jié)時(shí)間^分析系統(tǒng)動態(tài)性，在步驟4所得的期望 裕度域內(nèi)，以KdPKi為自變量，分別作出以δ和七為目標(biāo)函數(shù)的三維圖； 步驟6,在步驟5所得的三維圖中進(jìn)行PI參數(shù)尋優(yōu)，即分析動態(tài)性能指標(biāo)與PI參數(shù)的變 化關(guān)系，以減小3和七為目標(biāo)，整定出最優(yōu)的PI參數(shù)值，作為電機(jī)控制器中PI調(diào)節(jié)器的系數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)高性能控制器的PI參數(shù)整定方法，其特征在于， 步驟3所述的繪制PI參數(shù)穩(wěn)定域的步驟包括以下步驟： (1) 根據(jù)步驟2所述的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)Φ (s)，得到頻率特性D(jco )的表達(dá)式如下：其中，ω為系統(tǒng)的頻率，j為虛數(shù)單位； (2) 根據(jù)步驟（1)所述的頻率特性，令D(jco)=〇求穩(wěn)定邊界，在PI參數(shù)平面坐標(biāo)系中， 系統(tǒng)的穩(wěn)定邊界B表示如下： B = BqUBgjUBc〇 其中，Bq為ω = 〇時(shí)的穩(wěn)定邊界，Βω為0〈 ω〈〇〇時(shí)的穩(wěn)定邊界，Bco為ω =〇〇時(shí)的穩(wěn)定邊界， U表示并集； (3) 根據(jù)步驟⑵所述的穩(wěn)定邊界B求解PI參數(shù)M5PK1，設(shè)Bo得到gp=V. Α>〇|，Β4導(dǎo)到 與KdPKi無關(guān)的解，Βω得到的PI參數(shù)表達(dá)式為：(4)根據(jù)步驟(3)所述的PI參數(shù)表達(dá)式，在PI參數(shù)平面坐標(biāo)系內(nèi)繪制出系統(tǒng)臨界穩(wěn)定曲 線，得到Kp和Ki的穩(wěn)定區(qū)間。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)高性能控制器的PI參數(shù)整定方法，其特征在于， 步驟4所述的繪制期望裕度域包括以下步驟： (1)設(shè)PI參數(shù)KdPKi與幅值裕度A、相位裕度識的參數(shù)表達(dá)式如下：⑵根據(jù)步驟⑴所述的表達(dá)式繪制裕度曲線:令Α = ΑΜΡ，，〇，繪制幅值裕度為U勺 曲線GM;令A(yù) = I，P = ，繪制相位裕度為Ip的曲線PM; (3)將步驟(2)得到的曲線GM和曲線PM繪制在同一個PI參數(shù)平面坐標(biāo)系中，圍成區(qū)域的 交集部分為期望裕度域，即滿足9 >穴#及A>Aexp。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)高性能控制器的PI參數(shù)整定方法，其特征在于， 步驟5所述的超調(diào)量δ如下式所示：其中，tP為峰值時(shí)間，c (tP)為系統(tǒng)階躍響應(yīng)最大值，c (〇〇)為系統(tǒng)階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)輸出量。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)高性能控制器的PI參數(shù)整定方法，其特征在于， 步驟5所述的調(diào)節(jié)時(shí)間ts表示系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出量c (tP)保持在5 %的誤差帶以內(nèi)的最小時(shí) 間，如下式所示： 0.95c(①）<c(ts)〈1.05c(①） c (ts)表示系統(tǒng)階躍響應(yīng)在1^時(shí)刻的輸出量。
【文檔編號】H02P23/14GK105897110SQ201610416894
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】張興, 李浩源, 李飛, 楊淑英, 曹朋朋, 丁大尉, 李曦
【申請人】合肥工業(yè)大學(xué)