永磁同步电机矢量控制——电流环 PI 参数整定

1、预备知识

(1)典型I型系统的传递函数如下图所示:

(2)通常情况下,一个实际系统可以通过工程上的近似处理调节器校正变换成 典型I(前面已讲) 或 典型 II 系统。

本节用到的工程上近似处理方法:小惯性群的近似处理,自动控制系统中有多个小时间常数的惯性环节相串联的情况,在一定条件下可以将这些小惯性环节合并为一个惯性环节。
在这里插入图片描述

调节器结构选择的基本思路将控制对象校正成典型I或者典型II系统。

在这里插入图片描述

2、电流环PI参数整定

2.1、电流环的开环传递函数
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上图为电流环传递函数框图,电流环的输入为电流信号的误差值,输出为电压,控制电机转矩。

第一个环节: PI调节器的传函

第二个环节延迟传函

  在实际计算过程中,CPU进入中断读取电流反馈值,然后进行PI调节器的计算,得到输出电压(或者三角波比较值),但是输出电压或者比较值不是立即作用出去的,通常会延迟一个PWM周期,才会将比较值输出出去。这样就造成了采样和计算的延迟,这里近似看成一阶延迟环节,时间常数为Ts(这里td=Ts)

第三个环节: 逆变器的传函

  经过第二个环节,更新了三角波的比较值后,输出的电压是立刻作用到了负载上面吗?还不是的。对于7段式SVPWM来说,调制特点决定了还有0.5Ts的延时。而Kpwm为逆变器的增益,这个值没有一个确定的数值,这里取Kpwm为1,默认他为理想型

第四个环节: 电机传递函数

  电机传递函数可近似处理为:
在这里插入图片描述
说下电机传函的由来,前面讲过电机在dq轴坐标系下的电压方程:
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忽略耦合项的电压平衡方程为(这里只列出q轴电压方程):

在这里插入图片描述

上式拉式变换后得到电机的传函。

在开关频率为10KHZ时,PWM逆变器和延迟环节的时间常数都很小。工程近似就可以把延迟环节和PWM环节合并处理:

在这里插入图片描述

因为时间常数Ts很小,那么分母中的二次项系数可以看做0,从而等效为一个典型的I型系统。

则可得电流传递函数框图:

在这里插入图片描述
则电流环的开环传函数:
在这里插入图片描述

2.2 、电流环参数整定

前面我们得到了电流环的开环传递函数,下面我们把开环传递函数配置成典型系统:

2.2.1、I型系统配置

I型系统开环传递函数的结构是:
在这里插入图片描述
Wcur(s)貌似又和I型系统的结构不一样。怎么处理? 采用零极点对消法 ,将参数设置满足
Kp/Ki=Lq/R 这个条件,让分子分母各自约去一项,就能将电流环变成了I型系统。
在这里插入图片描述
剩下的Wcur(s)中,分子Ki/R就是I型系统的分子K,分母中的1.5Ts就是I型系统的T。即:

当具有较高的开关频率时,Ts的取值够小,可忽略不计。则系统变为一阶环节:

(1)电流环按\xi=0.707整定时,带入上式,故:

​​​​​​​
其中Ts为PI调节器计算的周期,一般情况下等同于逆变器的开关周期。

(2)电流环按\xi=1整定时,带入上式,故:

以上电机模型是通过uq算的,也可以通过ud算,此时得到的增益即为d轴的增益:

典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系如下表所示:

参考:

1.https://blog.youkuaiyun.com/sy243772901/article/details/82221672

2.2021-06-14_pi调节器里面kp和ki的确定-优快云博客

### STM32 电流环方法 STM32 的电流环通常用于电机控制场景,尤其是无刷直流电机 (BLDC) 和永磁同步电机 (PMSM) 中的磁场向控制 (FOC) 应用。以下是实现 STM32 电流环的关键技术要点: #### 1. **硬件设计** 在 STM32 平台上实现电流环时,需要确保硬件能够支持高精度的电流采样和 PWM 输出。常见的硬件需求包括: - 高分辨率 ADC:用于实时采集相电流信号。 - 运算放大器或分流电阻:用于将电流转换为电压信号并输入至 MCU 的 ADC 引脚[^1]。 - 隔离驱动电路:保护 MCU 同时提供足够的功率驱动能力。 #### 2. **软件架构** 基于 STM32 的电流环可以通过 HAL 库或者标准库实现。主要模块包括: - **PWM 波形生成**:利用 TIM 时器外设生成三相反电动势所需的 PWM 调制波形。 - **ADC 数据采集**:通过 DMA 方式高速读取相电流数据,并将其传递给控制器算法。 - **PI 控制器实现**:编写 PI 控制器逻辑以调占空比,从而调节实际电流接近设值。 ```c // 初始化TIM时器用于PWM输出 void MX_TIM_Init(TIM_HandleTypeDef *htim){ htim->Instance = TIM1; htim->Init.Prescaler = 71; // 设置预分频系数 htim->Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; htim->Init.Period = 999; // 自动重装载周期值 } // 实现简单的PI控制器计算 float pi_controller(float error, float Kp, float Ki, float dt){ static float integral = 0.0f; integral += error * dt; // 积分项更新 return Kp*error + Ki*integral; // 返回总输出 } ``` #### 3. **参数调优** 为了获得良好的动态性能和平稳运行效果,在完成基本功能搭建之后还需要对控制系统中的比例增益(Kp),积分时间常数(Ti)等重要参数进行细致微调。可以借助示波器观察响应曲线变化趋势来进行手动试凑法寻找最佳组合;也可以应用自动寻优算法如Ziegler-Nichols法则加快过程进度[^2]。 #### 4. **注意事项** - 确保所有外围设备工作正常之前不要尝试加载任何负载测试。 - 编写安全机制防止过流损坏器件。
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