[发明专利]一种参数可自整定的电机控制器的控制方法

权利要求书

1.一种参数可自整定的电机控制器的控制方法，实现对两通道直流有刷或直流无刷电机的电流、速度和位置三闭环伺服控制，采用电机模型分析，辨识出转动惯量的值，再结合PID控制器参数与转动惯量的关系式直接计算出合适的控制参数，实现控制器参数的自整定，其特征在于：

(1)转速环参数的计算：

转速环在系统稳定的前提下，提高转速环的响应速度；系统的稳定性和响应速度分别由相角裕度和闭环带宽进行度量；

a.闭环带宽

系统闭环幅频特性-3dB点对应的频率，为闭环带宽值ω_b；

带宽和开环截止频率ω_c：开环幅频特性过零点对应的频率值，具有一致性，在控制器设计过程中，使用开环截止频率代替闭环带宽来表征系统的响应速度；

b.相角裕度

定义ω_c为系统的截止频率，幅频特性为A(w)，则

A(ω_c)＝|G(jω_c)H(jω_c)|；

定义相角裕度为γ＝180°+∠G(jω_c)H(jω_c)，体现的含义是，对于闭环系统，如果系统开环相频特性再滞后γ度，则系统将处于临界稳定状态；

相对于电流环和转速检测环节来说，转速环的响应速度较慢，因此将电流环的闭环传递函数等效为一阶惯性环节，将转速检测环节等效为比例环节进行转速环控制器参数的设计；

转速环的开环传递函数为：

Gs(s)Hs(s)=kspKtksfTsikcfJ·Tsis+1s2(Tcs+1)]]>

其中：T_c为电流环一阶等效传递函数的时间常数，γ_m为相角裕度，T_si为转速环控制器时间常数，k_sp为转速环控制的比例系数，ω_c为转速环开环截止频率，k_cf为电流环反馈通道增益，k_sf为转速环反馈通道增益，K_t为转矩常数，J为转动惯量；

根据转速环开环传递函数，相角∠G_s(jω)H_s(jω)在处取得最大值，选取作为转速环开环截止频率ω_c，然后根据转速环相角裕度确定T_is的取值，最后根据|G_s(jω_c)H_s(jω_c)|＝1，确定k_sp的取值；

具体来说，通过以下两个公式进行转速环控制参数的设计：

Tsi=Tc(tanγm+tan2γm+1)2]]>

ksp=ωc2(Tcωc)2+1(Tsiωc)2+1×TsikcfJ9.55ksfKt;]]>

(2)位置环参数的计算

位置环位于闭环控制系统的最外环，完成位置随动和定位的功能；这里基于前面转速环控制器的整定，提出位置环比例增益的整定方式。

首先转速环开环传递函数为：

Gs(s)Hs(s)=1ksf·kspKtksfTsikcfJ·Tsis+1s2(Tcs+1)]]>

相比较转速环而言，位置环的带宽要低很多，因此考虑将转速环闭环传递函数等效为一阶惯性环节：

Gbs(s)=1ksy·1Tss+1]]>

为了保证等效前和等效后的闭环幅频特性的闭环带宽相同，令其中ω_b为转速环闭环带宽；

在转速环控制参数整定的过程中，转速环闭环带宽的获得一般较为困难，而转速环开环截止频率的获得相对来说较为简单，同时由于系统的闭环带宽和开环截止频率具有一致性：一个增大，另一个也增大，且数值相近闭环带宽略大于开环截止频率，因此这里进行转速环闭环传递函数的等效时，使用开环截止频率ω_c来计算惯性环节的时间常数；

采用比例控制器的位置环的伺服系统可得一个典型的二阶系统：f(s)=wn2s2+2ξwn+wn2,]]>

得到自然频率和阻尼比，令阻尼比大于1，算出位置环的比例系数K_p。