电气传动 ２０１１年 第４１卷 第１２期 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ２０１ １ Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．１２
永磁同步电机伺服系统串级
ＰＩＤ矢量控制研究
罗卫祥，于存贵 （南京理工大学机械工程学院，江苏南京２１００９４）
摘要：为实现对永磁同步电机伺服系统的控制，分析基于转子磁链定向矢量控制的伺服电机，建立串级 ＰＩＤ控制的伺服系统解耦动态数学模型。依据控制系统工程设计法设计出电流环、速度环、位置环后，研究速 度环相对于电流环和位置环的配置对伺服系统性能的影响；进而设计出满足指标要求的伺服控制系统。结果 表明：在永磁同步电机伺服系统的串级ＰＩＤ矢量控制中，速度环与电流环和位置环的相对配置对整个伺服系 统的影响显著；通过合理设计速度环可使伺服系统取得良好的控制效果。 关键词：永磁同步电机；伺服控制；矢量控制；串级ＰＩＤ控制 中图分类号：ＴＭ３４１ 文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｓｅｒｖｏ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｃａｓｃａｄｅ ＰＩＤ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＬＵＯ Ｗｅｉ—ｘｉａｎｇ。ＹＵ Ｃｕｎ－ｇｕｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９４，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｃａｓｃａｄｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ｒｏｔｏｒ ｆｌｕｘ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｄｅｓｉｇｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ，ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ，ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ，ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ，ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ ０１３．ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｅｅ；ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ，ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｅｅｄｂａｃｋ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｃａｓｃａｄｅ ＰＩＤ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ；ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ，ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｃａｓｃａｄｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ
第２１卷第５期 ２０ｏ８年１０月 常州工学院学报
ＪＯｕｍａｌ Ｏｆ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＴｅｃｈｎｏｌＯｇｙ Ｖｏ１．２ｌ ＮＯ．５ ０ｃｔ．２ｏ０８
永磁同步电机伺服系统Ｈ∞控制研究
吴雪芬
（常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏常州２１３０ｏ２）
摘要：为提高永磁同步电机伺服系统的鲁棒性和快速性，论文引入了Ｈ 控制策略。针对永磁
同步电机永磁体磁链为常数的特点，对其 —ｑ轴模型进行分析，建立了永磁同步电机伺服系统的
动力学方程。根据伺服系统参数变动范围和扰动力的特点，选择了较优的权重函数，设计了Ｈ 鲁 棒速度控制器。仿真结果表明，设计的Ｈ 速度控制器与传统的ＰＩ控制器相比，对模型摄动具有较
强的鲁棒稳定性及良好的抗扰动能力，响应速度快且指令跟踪能力强。
关键词：永磁同步电机；Ｈ 控制；矢量控制；伺服系统 中图分类号：ＴＰ１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７ｌ一０４３６（２００８）０５一ｏ０２２一ｏ４
０ 引言 １ 永磁同步电机数学模型
永磁同步电动机（ＰＭｓＭ）以其体积小、性能
好、效率高、可靠性高等特点，现已越来越多地应
用于各种高性能要求的场合，发展前景广阔，正在 成为电力传动领域的研究热点 。目前，永磁同
步电动机的控制器大都采用经典的ＰＩ控制方式， 受负载状况、饱和、温升及老化等因素的影响，永
磁同步电动机的绕组电阻、电感和转子磁链等参 数会发生变化，使得控制系统的性能很不理想 Ｊ。 Ｈ 鲁棒控制是当今国内外研究热点 Ｊ，其应用
的场合非常广泛，如航空发动机、帆船的航向系
统、机械手、振动系统、火炮电液伺服系统及宏观 经济模型的控制等。但Ｈ 控制在永磁同步电机
控制系统中的应用还较少，薛鹏等人 对永磁同 步电机对系统的不确定性设计了Ｈ 速度控制 器，并进行了仿真实验，但没有考虑控制器的抗扰 动性能。本文利用 一鼋轴模型建立永磁同步电
动机动力学模型，并以此为基础，结合实际工作情
第５２卷 第１期
２Ｏｌ３年１月 厦门大学学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉａｍｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｖｏ１．５２ ＮＯ．１
Ｊａｎ．２ｏｌ３
永磁同步直线电机速度控制系统的研究
王春梅，洪永强 ，褚旭阳，李 钷
（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门３６１００５）
摘要：针对永磁同步直线电机，介绍了其数学模型，建立了永磁同步直线电机闭环控制系统，分析了各种控制方法在直
线电机控制系统的优缺点．通过分析比较，得出永磁同步直线电机调速系统中基于饱和函数的模糊滑模控制系统具有很 强的鲁棒性，可以有效地削弱抖振，系统动静态性能良好．
关键词：永磁同步直线电机；模糊滑模控制；ＭＡＴＬＡＢ仿真
中图分类号：ＴＭ ３０１．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：０４３８—０４７９（２０１３）０１—００４８—０５
近年来，直线电机技术得到越来越多的企业和专家
的关注，其应用场合越来越多．与旋转电机相比，直线电
机有着显著的优点：结构简单、反应速度快、灵敏度高、随
动性好、密封性好、不怕污染、适应性强、有精密定位和自
锁的能力．但是，由于直线电机结构本身存在着非线性和
不确定性的缺点，其控制器设计很难达到高精度、快速响
应的要求．本文针对直线电机的这一特点，设计了基于饱
和函数的滑模控制的速度控制系统．该系统使得永磁同
步直线电动机速度跟踪系统具有响应的快速性、鲁棒性
和抗干扰性，基于饱和函数的滑模控制系统应用在永磁
同步直线电机中具有很好的动静态特性．
１ 永磁直线电机数学模型
本文中永磁直线电机伺服控制系统由速度外环和
电流内环构成．速度外环采用模糊滑模控制，电流内环
采用传统的比例、积分（ＰＩ）控制器以实现ｉ 一０的矢
量控制．令ｉ 一０，则永磁直线电机数学模型为Ⅲ：
电压方程：
一Ｌ 等一 ＋Ｒ ，
“ 一Ｌ 鲁＋ｕＩ ４－Ｒｉ ． （１）
磁链方程：
中 ｝一Ｉ，ｄｉ ｄ ４－ ，
永磁交流伺服系统研究背景意义及现状
1研究背景及意义
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标或给定值任意变化的自动控制系统，是控制理论、电力电子技术、电机技术、微电子技术、检测技术等学科相互发展融合的产物，是自动化学科及工业生产领域重要的分支。在机械制造行业、冶金工业，交通运输以及军事上都得到了广泛的应用。
伺服系统强调对控制命令的快速跟踪和响应，所以伺服控制系统可以认为是随动控制系统，既可以是转速的随动控制，也可以是位置的随动控制。在广义的角度上看，电动机的调速系统也可以认为是伺服控制的一种，只不过在调速系统中，强调的被调量是电动机的转速，更加有效的实现功率变换。而伺服系统则强调忠实跟踪给定信号，即按控制器发出的控制命令而动作，并产生足够的力或力矩，使被驱动的机械获得期望的运动速度和位姿。
伺服系统的发展经历了由液压伺服到电气伺服的过程。在电气伺服系统中，按驱动装置的执行元件电动机类型来分，通常分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。六十年代以后，特别是七十年代以来，随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展，尤其是先进控制策略的成功应用，交流伺服系统的研究和应用取得了举世瞩目的发展，己具备良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，交流伺服系统取代直流伺服系统己成定局。其中交流永磁同步电机 (PMSM)又以其结构简单、气隙磁密高、功率密度大、转动惯量小的优点，成为研究的热点。和直流电机相比，交流永磁同步电机没有直流电机的换向器和电刷等缺点，和其他类型交流电动机相比，它由于没有励磁电流，因而功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。现已广泛用于数控机床、工业机器人、超大规模集成电路制造、柔性制造系统、载人宇宙飞船、电动工具以及家用电器等高科技领域。
另一方面，高速数字信号处理芯片(DSP) 的快速发展也对伺服系统的发展起到了推动作用。DSP强大的数据处理能力和高运行速度使得先进的控制技术如矢量控制、直接转矩控制等得以实现。并且DSP芯片内部集成了A/D转换、数字输入/输出、串口通信、电机控制PWM信号输出等接口，使得伺服系统硬件设计更加灵活、简易。
