试论永磁基于S曲线永磁同步电机加减速制约及算法怎样
最后更新时间：2024-04-21
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论文导读：，故在电机快速加减速运行过程中会出现抖动现象，进而会影响电机性能及稳定性，使系统的快速性、动态性能有所下降。因此要保证电机具有较好的加减速性能就必须有一个加减速过程。目前，常用的永磁同步电机加减速速度曲线有以下几种，即直线加减速（梯形曲线）、S曲线加减速、指数曲线加减速和正弦曲线加减速。其中直线加减速算
摘要：为了设计永磁同步电机的高性能速度控制器，提出了一种基于S曲线的速度控制器设计方法。首先分析了S曲线算法原理，基于永磁同步电机的数学模型，针对普通控制系统性能受参数变化及各种不确定影响严重等缺点，在分析S曲线传统的七段模型后，在速度控制器中引入了基于S曲线的永磁同步电机加速度和速度控制方法。Matlab仿真结果表明，基于S曲线的永磁同步电机加速度和速度控制方法，使系统能够快速的跟踪给定速度命令值，保证系统的性能及其稳定性，系统具有良好的稳态精度和动态性能。
关键词：永磁同步电机 矢量控制 S曲线
1007-9416（2013）04-0155-02
现代工业中，永磁同步电机（PM）由于其高功率密度，高效率，速度相应快，因而在工业界得到了广泛的应用，尤其应用在一些加减速的控制中。然而由于电机惯性比较大，故在电机快速加减速运行过程中会出现抖动现象，进而会影响电机性能及稳定性，使系统的快速性、动态性能有所下降。因此要保证电机具有较好的加减速性能就必须有一个加减速过程。
目前，常用的永磁同步电机加减速速度曲线有以下几种，即直线加减速（梯形曲线）、S曲线加减速、指数曲线加减速和正弦曲线加减速。其中直线加减速算法简单，易于实现，其缺点是加速度存在突变；S曲线加减速保证了加速度的一阶连续，且在算法的实现方面比指数曲线简单，但S曲线的加加速度为跳变量，而正弦曲线可任意次微分，其加加速度仍旧是连续变化曲线，但S速度曲线型对正弦速度曲线更容易于数字拟合，计算量小，且电机速度的跟随性能更优，因此应用最广泛。故本文采用S曲线作为永磁同步电机加减速过程中的速度曲线，能够保证永磁同步电机在运动过程中速度和加速度没有突变，减小冲击，提高了永磁同步电机运行的平稳定，增强了电机高速运行的稳定性和可靠性。
1 S曲线算法分析
S曲线加减速的特点事存在加加速度，故加速度没有突变，在速度变换过程中不存在柔性冲击，适用于高速运动，完整的S曲线加减速过程如图1所示，共分为7个阶段。
以拐点时刻t1为第一个分界点，在0-t1时间段内，速度由0加速至拐点速度v1，加加速度h为常数，加速度由0逐渐增加至amax；t1-t2时间段为恒加速阶段，加速度a为常数，加加速度为0，速度由v1上升至v2；t2-t3时间段内，速度由v2加速运行至最大速度vmax，加加速度h为负常数，加速度a逐渐减小至0；t3-t4时间段为匀速段，保持速度vmax不变；t4-t5段、t5-t6段、t6-t7段为减速段，与加速段类似，只是加速度a为负值。
2 Matlab仿真及结果
为了有较好的控制效果，本文采用七段式S曲线进行仿真。由于PID控制策略及其结构简单，容易实现，且仅有三个参数需要设置，参数调整方便，鲁棒性强，故在搭建Matlab仿真模型时采用双闭环PI控制，基于S曲线的永磁同步电机加速度和速度控制结构框图如图3所示。
仿真时，转速给定命令为310rad/s，对于七段式S曲线，设定仿真结果如下图所示。
从图4可以看出基于S曲线的永磁同步学术论文下载www.7ctime.com
电机PI速度控制器具有较短的上升时间，基本无超调量，能够较好的跟踪速度给定命令。
3 结语
根据永磁同步电机矢量控制双闭环的数学模型，针对传动的线性PI控制提出了基于S曲线的控制算法，应用到永磁同步电机的速度控制中，使控制器的分析和设计大为简化，便于工程实现。另外，仿真结果表明基于S曲线的永磁同步电机速度控制器拥有更短的上升时间，更小的超调量，受到扰动后能更快的恢复到稳态。因此，基于S曲线的控制算法是有效的。
参考文献
王威，杨平.智能PID控制方法的研究现状及其应用展望[J].自动化仪表，2008，29（10）：14.
郑安平，王磊.永磁同步电机矢量控制的全数字实现[J].微电机，2007，40（12）：45-69.
[3]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997：159.
[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].3版.北京：机械工业出版社，2003：158-255.
[5]Soo-cheol Shin， Chi-Hwan Choi， Jang-Hyoun Youm. Position Control of PM using Jerk-Limited论文导读：
Trajectory for Torque Ripple Reduction in Robot Applications. IEEE， 2012， 2400.
[6]Homayoun Seraji. A New Class of Nonlinear PID Controllers with Robotic Applications [J]. Control and Automation，2008（10），44-63.
[7]刘子健.永磁同步电机混合非线性控制策略[J].浙江大学学报，2010，44（7）：1033-1037.
[8]简毅，刘宝.基于AT91SAM9261的步进电机S曲线加减速控制研究与实现[J].轻工机械，2012，3期：62-66.
摘要：为了设计永磁同步电机的高性能速度控制器，提出了一种基于S曲线的速度控制器设计方法。首先分析了S曲线算法原理，基于永磁同步电机的数学模型，针对普通控制系统性能受参数变化及各种不确定影响严重等缺点，在分析S曲线传统的七段模型后，在速度控制器中引入了基于S曲线的永磁同步电机加速度和速度控制方法。Matlab仿真结果表明，基于S曲线的永磁同步电机加速度和速度控制方法，使系统能够快速的跟踪给定速度命令值，保证系统的性能及其稳定性，系统具有良好的稳态精度和动态性能。
关键词：永磁同步电机 矢量控制 S曲线
1007-9416（2013）04-0155-02
现代工业中，永磁同步电机（PM）由于其高功率密度，高效率，速度相应快，因而在工业界得到了广泛的应用，尤其应用在一些加减速的控制中。然而由于电机惯性比较大，故在电机快速加减速运行过程中会出现抖动现象，进而会影响电机性能及稳定性，使系统的快速性、动态性能有所下降。因此要保证电机具有较好的加减速性能就必须有一个加减速过程。
目前，常用的永磁同步电机加减速速度曲线有以下几种，即直线加减速（梯形曲线）、S曲线加减速、指数曲线加减速和正弦曲线加减速。其中直线加减速算法简单，易于实现，其缺点是加速度存在突变；S曲线加减速保证了加速度的一阶连续，且在算法的实现方面比指数曲线简单，但S曲线的加加速度为跳变量，而正弦曲线可任意次微分，其加加速度仍旧是连续变化曲线，但S速度曲线型对正弦速度曲线更容易于数字拟合，计算量小，且电机速度的跟随性能更优，因此应用最广泛。故本文采用S曲线作为永磁同步电机加减速过程中的速度曲线，能够保证永磁同步电机在运动过程中速度和加速度没有突变，减小冲击，提高了永磁同步电机运行的平稳定，增强了电机高速运行的稳定性和可靠性。
1 S曲线算法分析
S曲线加减速的特点事存在加加速度，故加速度没有突变，在速度变换过程中不存在柔性冲击，适用于高速运动，完整的S曲线加减速过程如图1所示，共分为7个阶段。
以拐点时刻t1为第一个分界点，在0-t1时间段内，速度由0加速至拐点速度v1，加加速度h为常数，加速度由0逐渐增加至amax；t1-t2时间段为恒加速阶段，加速度a为常数，加加速度为0，速度由v1上升至v2；t2-t3时间段内，速度由v2加速运行至最大速度vmax，加加速度h为负常数，加速度a逐渐减小至0；t3-t4时间段为匀速段，保持速度vmax不变；t4-t5段、t5-t6段、t6-t7段为减速段，与加速段类似，只是加速度a为负值。
2 Matlab仿真及结果
为了有较好的控制效果，本文采用七段式S曲线进行仿真。由于PID控制策略及其结构简单，容易实现，且仅有三个参数需要设置，参数调整方便，鲁棒性强，故在搭建Matlab仿真模型时采用双闭环PI控制，基于S曲线的永磁同步电机加速度和速度控制结构框图如图3所示。
仿真时，转速给定命令为310rad/s，对于七段式S曲线，设定仿真结果如下图所示。
从图4可以看出基于S曲线的永磁同步学术论文下载www.7ctime.com
电机PI速度控制器具有较短的上升时间，基本无超调量，能够较好的跟踪速度给定命令。
3 结语
根据永磁同步电机矢量控制双闭环的数学模型，针对传动的线性PI控制提出了基于S曲线的控制算法，应用到永磁同步电机的速度控制中，使控制器的分析和设计大为简化，便于工程实现。另外，仿真结果表明基于S曲线的永磁同步电机速度控制器拥有更短的上升时间，更小的超调量，受到扰动后能更快的恢复到稳态。因此，基于S曲线的控制算法是有效的。
参考文献
王威，杨平.智能PID控制方法的研究现状及其应用展望[J].自动化仪表，2008，29（10）：14.
郑安平，王磊.永磁同步电机矢量控制的全数字实现[J].微电机，2007，40（12）：45-69.
[3]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997：159.
[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].3版.北京：机械工业出版社，2003：158-255.
[5]Soo-cheol Shin， Chi-Hwan Choi， Jang-Hyoun Youm. Position Control of PM using Jerk-Limited论文导读：
Trajectory for Torque Ripple Reduction in Robot Applications. IEEE， 2012， 2400.
[6]Homayoun Seraji. A New Class of Nonlinear PID Controllers with Robotic Applications [J]. Control and Automation，2008（10），44-63.
[7]刘子健.永磁同步电机混合非线性控制策略[J].浙江大学学报，2010，44（7）：1033-1037.
[8]简毅，刘宝.基于AT91SAM9261的步进电机S曲线加减速控制研究与实现[J].轻工机械，2012，3期：62-66.