控制算法中速度环PI调节器参数整定和对其周期性调用的实现、硬件验证调试

前言：本期文章介绍永磁同步电机全速域内的无感控制策略，预定位+IF+SMO三段式进行初始位置定位、IF强拖到一定速度后切换到SMO观测器。理论介绍后进行仿真实现，验证此策略的有效性。 一、永磁电机无感控制研究背景 无感控制的研究主要是为了解决因外部条件限制和成本的要求而进行的，主要的方法分为高频信号注入法和模型法。永磁同步电机区别于异步电机，在不同的速度范围因为电机特性的问题，需要采用不同的估计方法。 图1.1 永磁同步电机无感控制技术分类 除上述介绍的方法外，也存在全速域范围内的单一观测器无感控制策略，比如非线性磁链观测器法、基于dq轴下的电流估算法等。 二、预定位 永磁同步电机的高性能控制需要精确的转子位置信息，在已知转子位置起动时能够得到最大的启动转矩。而从未知的转子位置起动可能造成电机的起动电流偏大、反转或者起动失败，这在许多应用场合是不可接受的。 例如，当定子磁场与永磁体的磁场的夹角为180°或者0°时，转子的转矩为0，电机无法 正常起动，这个位置被称为电机的起动死点。反之，当定子电枢磁场与永磁体磁场垂直时，电机此时的起动转矩最大，但是由于定子磁场与永磁体磁场的夹角仍有90°和270°之分，即为两个相互相反的位置。如果为90°，电机将以最大转矩起动；如果为270°，电机将以最大转矩向另外一个方向起动，因此还需要确定转子的N极和S极才能保证永磁同步电机顺利起动。 现有的永磁同步电机转子初始位置检测方法可以分为两类：基于电机自身的磁路结构凸极效应和基于定子铁心的非线性饱和特性。内置式永磁同步电机由于自身转子磁路结构不对称，其在直轴电感、交轴电感不同时呈现结构凸极性。一般情况下，表贴式永磁同步电机的交、直轴电感相等，在定子绕组注入电流，电流产生的磁场方向和永磁体磁场方向一致时，会导致直轴磁路出现饱和，直轴电感小于交轴电感，呈现出饱和凸极性。 本节主要介绍预定位法，该方法让电机转子轴旋转到指定位置。在实际应用中，常见的主要用在风扇类和水泵类的场合。 预定位实现的思路：转矩电流iq给固定值，id=0，给不同的theta角，电机轴就会旋转到角度对应的位置。三、IF控制 图3.1 IF控制框图 IF控制方法对电流进行控制，用在中高速无感控制的起动阶段。IF控制可以实现电机的平稳起动且起动过程中没有电流过冲。但是基本的IF控制方法是一种开环方案，电流幅值和频率不能自动调节，且存在易失步，转速易受干扰等缺点，不太适合于电机稳态运行，只能用于辅助起动。 四、仿真实现及验证 本系统仿真是标幺化仿真系统，分三步实现全速域的无感控制：1、进行预定位，确定永磁同步电机的转子初始位置；2、IF强拖到指定速度，因为永磁同步电机的反电势与转速成正比，低速区域观测器很难估算到准确的反电势，造成系统不稳甚至发散；3、IF切换到滑模观测器SMO。滑模观测器SMO和锁相环PLL内容，在前几期文中已经介绍，在此不再阐述。 图4.1 预定位过程 图4.2 IF控制过程图4.3 IF强拖时角度变化情况 图4.4 同步角的变化情况 从图（4.3）和（4.4）可知，首先预定位到1.5pi位置，然后经过IF强拖，之后切换到滑模观测器。 图4.5 速度跟踪变化情况 图4.6 定子电流波形变化情况 图（4.5）是速度估计变化的情况，首先IF强拖到800rpm，之后切换到SMO观测器变化到2000rpm。在切换过程中，估计转速波动较大。这是因为切换函数的选择造成的，要想改善，需要对这部分进行改进。 五、问题讨论 5.1 在实际应用中，初始位置检测一般采用什么方式？ 5.2 IF切滑模观测器SMO的切换策略如何选择，来减小q轴电流突变给控制带来的影响?推荐一个低空动力与新能源技术交流会，详细介绍在原文阅读里，感兴趣的bro可以看看！ 来源：浅谈电机控制