1.为什么位置环用P调节器尽可以实现无静差调节?
当时在学《运动控制》这门课程时,用的是陈伯时老师的教材。在介绍调节器的时候,教材中说到,P(比例)调节器会存在稳态误差,所以在转速环和电流环都需要引入I(积分调节器)来消除稳态误差。
但是!位置环不同于转速环,位置环只需要P调节器,就可以对阶跃指令实现无静差调节。
先用人话来解释。参考东南大学硕士论文《基于模型预测的永磁同步电机 伺服驱动系统控制策略研究》。
“位置环作为三环中的最外环,实现位置跟随和定位。由于在大部分应用场合中不允许出现位置超调的现象,因此位置环中一般不加积分环节,只采用比例控制器。本文中位置环同样仅采用比例控制器。当位置误差不为零时,位置环输出的参考转速不为零,系统会继续运行。当位置误差为零时,位置环输出的参考转速为零,此时系统会处于静止状态,理论上可以实现给定位置和实际位置之间不存在误差。”
再参考陈伯时老师的教材。
最后再仿真验证一下。
仿真参数:
Ts = 5e-7;%仿真步长
Tpwm = 1e-4;%开关周期
Tsample = Tpwm/1;%采样周期/控制周期
Tspeed = Tsample;%转速采样周期
Pn = 4;%电机极对数
Ls = 8.5e-3;%定子电感,采用隐极的,Ld=Lq=Ls
Rs = 1;%定子电阻
flux = 0.1688;%永磁体磁链
Vdc = 400;%直流母线电压
iqmax = 20;%额定电流
J = 1e-3;%转动惯量
B = 1e-3;%阻尼系数
n_init = 0;%初始转速
fc_lpf = 500;%转速计算的低通滤波器截止频率
speedmax = 2500;%位置环输出限幅/最大转速
%位置环PD参数
Kpn = 1000;
Kdn = 0;
%转速环PI参数
Kpw = 0.1;
Kiw = 20;
%电流环PI参数
Ld1 = Ls;
Lq1 = Ls;
flux1 = flux;
Rs1 = Rs;
fc = 500;%电流环带宽
Enable = 1;%1代表开启1.5拍延时补偿
仿真工况:初始阶段的位置指令为4rad,0.25s时位置指令改为1rad。(全程空载)
从位置波形来看,只采用P调节器就可以实现对阶跃指令的无静差调节了。
2.为什么有的位置环要用到PD调节器呢?
前面说的位置指令只是阶跃指令,但是在某些伺服工况下,可能需要用到正弦信号给定(我之前做的项目要求就是正弦指令)。
那我现在看看采用P调节器以及不同增益的D调节器,对正弦信号的跟踪情况如何。
从上面的仿真可以看的,只采用P调节器的话,位置环无法有效消除正弦信号给定的稳态误差。在加入D(微分)调节器且不断增加微分增益之后,正弦信号给定的稳态误差幅值不断减小。
3.为什么有的位置环要用到PI调节器呢?
前面说的位置指令只是阶跃指令or正弦,在某些伺服工况下,可能需要用到斜坡信号给定。
可以看到,如果只采用P调节器,则没有办法消除跟随斜坡信号时存在的稳态误差;加入积分器之后,斜坡信号的稳态误差可以被消除。