伺服驱动器-电流环设计

一般伺服驱动器都具备位置、速度、和电流控制,框图如下图所示:

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伺服驱动的电流环通常采用矢量控制方法,在很多电机控制书籍中都有很详细的介绍,本文结合具体实例,简单介绍其设计步骤。

一、电机状态方程

以隐极永磁同步电机为例,其交直轴电感相等,其等效的状态方程为:
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其中,
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将右边第一个矩阵变换成对角矩阵:

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定义中间控制变量:
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则(1)式可重新写成如下的状态方程:
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二、控制器设计

从(4)可以看出,电压到电流的关系为典型的一阶惯性关节,采用PI控制器对其进行校正,如下图所示:
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假设d轴和q轴采用相同的控制参数,电流环的开环传递函数为:
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为使控制回路尽可能简单,我们采用零极点对消的方式选取电流环的积分时间常数:
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则开环传递函数为:
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闭环传递函数为:
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从(8)式可以看出,电流环是一个简单的一阶惯性环节,其静态偏差为0,电流响应快慢可通过Ki调节。
电流环的bode图如下:
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其中,电流环的截止频率:
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若截止频率选定,则可确定电流环的比例系数:
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三、设计实例

以西门子1FT6电机为例,从数据手册可以查询到定子电阻、电感和永磁磁链等相关数据:
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已知La=4mH, Ra=7.2欧姆,根据(6)式可计算出电流环控制器的积分时间常数:
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若选取电流环截止频率为500rad/s,则根据(10)式可计算出电流环控制器的比例系数为:
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另外,可根据电压常量和式(3)设计出解耦控制器。

当然,以上计算都是基于理论值,实际上电阻会随温度变化而变化,不同电流下的电感值也不一样,理论计算值需要根据实际情况进行动态调整。

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