[发明专利]一种参数可自整定的电机控制器的控制方法

摘要

本发明涉及一种参数可自整定的电机控制器的控制方法，是一种实现三闭环（电流环、速度环、位置环）高性能控制的电机控制系统方法。本发明基于DSP数字信号处理器设计，具备强大数字运算和电机控制能力，同时开发了基于DSP的移动运动控制器参数整定方法，实现了运动控制器速度、位置控制器PID参数自整定的实用化技术,可广泛应用于智能轮椅控制、无人割草机、工业自动化、国防航空等各个行业领域。

主权项

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：$G_s\left(s\right)H_s\left(s\right)=\frac{k_{sp}{K}_t{k}_{sf}}{T_{si}{k}_{cf}J}\·\frac{T_{si}s+1}{s^2(T_{c}s+1)}$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：$T_{si}=T_c{({\mathrm{tan\γ}}_m+\sqrt{{\tan }^2{\mathrm{\γ}}_m+1})}^2$$k_{sp}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c^2\sqrt{{\left(T_c{\mathrm{\ω}}_c\right)}^2+1}}{\sqrt{{\left(T_{si}{\mathrm{\ω}}_c\right)}^2+1}}\×\frac{T_{si}{k}_{cf}J}{9.55k_{sf}{K}_t};$(2)位置环参数的计算位置环位于闭环控制系统的最外环，完成位置随动和定位的功能；这里基于前面转速环控制器的整定，提出位置环比例增益的整定方式。首先转速环开环传递函数为：$G_s\left(s\right)H_s\left(s\right)=\frac{1}{k_{sf}}\·\frac{k_{sp}{K}_t{k}_{sf}}{T_{si}{k}_{cf}J}\·\frac{T_{si}s+1}{s^2(T_{c}s+1)}$相比较转速环而言，位置环的带宽要低很多，因此考虑将转速环闭环传递函数等效为一阶惯性环节：$G_{bs}\left(s\right)=\frac{1}{k_{sy}}\·\frac{1}{T_{s}s+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\left(s\right)=\frac{w_n^2}{s^2+2{\mathrm{\ξw}}_n+w_n^2},$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。