基于DSP28335的永磁同步电机调速系统设计(五)

2.2.3 抗饱和积分PI控制器的设计

    在电机控制中通常会用PI调节器进行调节，但如果直接用PI调节器进行调节的话，在饱和输出时积分环节往往还停留在一个比较大的值，所以，本设计所使用的电流和速度调节器都是带有积分校正的PI控制器，它的好处是，在能非常快的退饱和，能够有效地提高系统的动态性能，减少超调量。其算法框图，如图2.6所示。

图2.6 抗饱和积分PI控制器算法框图

    其中：为比例项的输出值，为比例系数，为当前误差，为积分系数，为积分项的校正系数，为积分项的输出值，为输出限副前的值，为输出值，和为输出限副的最大值和最小值。

(1)Kp参数分析：

    比例系数Kp的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此Kp值不能取的过大;如果Kp值取较小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统动、静态特性变坏。

    (2) Ki参数分析

    积分环节作用系数 Ki的作用在于消除系统的稳态误差。 Ki越大，积分速度越快，系统静差消除越快，但 Ki过大，在响应过程的初期以及系统在过渡过程中会产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使动态性能变差；若 Ki过小，使积分作用变弱，使系统的静差难以消除，使过渡过程时间加长，

    (3) Kc参数分析

    积分饱和校正系数Kc的作用在于当控制器输出饱和时，能迅速使得积分项的输出值降下来，避免积分变量因累加过大，控制器输出值不能迅速退饱和而产生过大超调。Kc越大，控制器的输出值退饱和越快，但，Kc过大会使得输出值在饱和值附近产生过大的振荡使得系统反应过慢；Kc越小，控制器的输出值退饱和越慢，但，Kc过小会使得输出值长时间不能退饱和使得系统容易产生过大超调。

    (4)参数的整定

    PID参数的整定在工程上有很多方法，其中用得比较多的有仿真法和经验整定法。由于仿真法对电机参数的非常敏感，本次系统的参数整定使用经验整定法，经过反复的调试，对于不同速度段的PID参数进行整定，获得分段的PID参数。

2.2.4 电流环的设计

    电流环是整个永磁同步电机调速系统的内环，也是整个系统最重要的一环，其动态响应特性直接决定着整个系统的好坏。必须保证电流环的响应速度、控制精度,矢量控制策略才有可能实现。

    系统的载波频率为15kHz，即电流环的控制周期为15kHz/s。由于要同时控制D轴和Q轴的电流，所以电流控制需要两个电流环同时协调工作以达到Q轴电流与速度环给定的电流相等，D轴的电流等于零。Q轴电流调节和D轴电流调节均使用抗饱和积分PI调节器。

    电流调节器的参数整定的操作方法：1.把电机的转子固定，目的是为了消除电机转动时反电势的干扰；2.给定一个频率为1kHz的正反电流信号，目的是对应速度环所给电流信号的速率；3.分别采集给定电流信号和反馈电流信号进行对比，反复尝试调整PI参数，直到效果最好为止，从而整定PI参数。

2.2.5 速度环的设计

    速度控制也是交流伺服控制系统中极为重要的一个环节，其控制性能是伺服系统整体性能指标的一个重要组成部分。从广义上讲，速度环也应具有响应快，超调量少的特性。具体而言，反映为小的速度脉动率、快的频率响应、宽的调速范围等性能指标。选择好的三相交流永磁同步伺服电动机、分辨率高的光电编码器、零漂误差小的电流检测元件以及高开关频率的大功率开关元件，就可以降低转速不均匀度，实现高性能速度控制。但是在实际系统中，这些条件都是受限制的，这就要求用合适的速度调节器来补偿。

速度环不需要过高的采样频率，过高的采样频率容易引起系统的不稳定。在程序中，设定每20次PWM周期进行一次速度采样，即速度环的控制周期为0.75kHz/s。

    这里的速度调节器的参数整定跟电流环一样，都是通过反复调试确定的。