专利名称：Pi调节器实现系统及方法
技术领域：
本发明涉及电机速度控制领域，更具体地说，涉及ー种Pi调节器实现系统及方法。
背景技术：
在电机控制领域，为了实现电机速度的快速无偏差控制通常采用PI算法作为速度闭环控制的调节器，简称速度PI调节器。速度PI调节器通过对速度指令和速度反馈的差值进行PI计算，得到电机控制的转矩指令。电机根据给定的转矩指令加速或者減速从而实现电机的速度控制。具体地，电机根据给定的转矩指令进行加速或者減速，然后检测电机的反馈速度送入PI调节器，如此形成了ー个速度的闭环控制。如图I所示，在目前的电机控制中，速度PI调节器直接根据速度指令和速度反馈的差值进行I积分调节和P比例调节，得到电机控制的转矩指令。然而，由于反馈速度的产生源于PI计算的結果，因而速度指令和速度反馈之间存在时间延迟(速度反馈滞后速度指令)。由于上述时间延迟的存在，当速度指令变化较快时PI调节器的积分项变化缓慢使得速度控制常出现较大超调的情况，如图2所示。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述PI调节器在速度指令变化较快时出现较大超调的问题，提供ー种速度控制PI调节器实现系统及方法。本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供ー种PI调节器实现系统，用于根据控制指令和反馈信息生成新的控制量；包括补偿单元、比例调节单元和积分调节单元，其中所述补偿単元，用于对控制指令进行积分补偿；所述比例调节单元，用于将控制指令和反馈信息的差值进行比例调节；所述积分调节单元，用于将经补偿单元处理的控制指令和反馈信息的差值进行积分调节。在本发明所述的PI调节器实现系统中，所述PI调节器的闭环控制的传递函数为
ん,I iIi ^ _|_ I^ jH(s、= ,.Iャs + ki其中，kp为PI调节器的比例増益、ki为PI调节器的积分
増益、S为拉普拉斯算子。在本发明所述的PI调节器实现系统中，所述补偿単元为ー阶低通滤波器且该ー阶低通滤波器的传递函数为"(.、.)=ド、.丄丨其中τ为ー阶低通滤波器的滤波时间常数。在本发明所述的PI调节器实现系统中，所述ー阶低通滤波器的滤波时间常数τ满足 T=l/wn,其中wn = yfi/在本发明所述的PI调节器实现系统中，所述控制指令为速度指令，所述反馈信息为速度反馈，所述新的控制量为转矩指令；或者所述控制指令为电流指令，所述反馈信息为电流反馈，所述新的控制量为电压指令。本发明还提供ー种PI调节器实现方法，用于根据控制指令和反馈信息生成新的控制量；包括以下步骤对控制指令进行积分补偿，并将经过积分补偿的控制指令和反馈信息的差值进行积分调节；将控制指令和反馈信息的差值进行比例调节。在本发明所述的PI调节器实现方法中，所述PI调节器的闭环控制的传递函数为H(S、'J:kph + ki其中，kp为PI调节器的比例増益、ki为PI调节器的积分 増益、s为拉普拉斯算子。在本发明所述的PI调节器实现方法中，所述对控制指令进行积分补偿操作由一阶低通滤波器实现且该ー阶低通滤波器的传递函数为"(.、.)=ド、.丄丨其中τ为ー阶低通滤波器的滤波时间常数。在本发明所述的PI调节器实现方法中，所述ー阶低通滤波器的滤波时间常数τ满足 T=l/wn,其中wn = 。在本发明所述的PI调节器实现方法中，所述控制指令为速度指令，所述反馈信息为速度反馈，所述新的控制量为转矩指令；或者所述控制指令为电流指令，所述反馈信息为电流反馈，所述新的控制量为电压指令。本发明的PI调节器实现系统及方法，通过引入积分补偿环节，可有效抑制采用PI调节器闭环控制的反馈超调。本发明通过积分补偿环节的引入，可有效地提高采用PI调节器的速度和电流闭环控制性能。
图I是现有PI调节器的结构示意图。图2是现有PI调节器的速度指令及速度反馈的示意图。图3是本发明的PI调节器实现系统第一实施例的示意图。图4是图3中的PI调节器的速度指令及速度反馈的示意图。图5是本发明的PI调节器实现系统第二实施例的示意图。图6是图5中的PI调节器的速度指令及速度反馈的示意图。图7是本发明PI调节器实现方法实施例的流程示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进ー步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图3所示，是本发明PI调节器实现系统第一实施例的示意图。该PI调节器实现系统用于根据速度指令和速度反馈生成转矩指令(该转矩指令用于控制电机运转)，包括补偿单元33、比例调节单元32和积分调节单元31。上述补偿单元33、比例调节单元32和积分调节单元31可由硬件、软件或其结合构成。补偿单元33用于对速度指令进行积分补偿。具体地，该补偿単元33可采用ー阶低通滤波器。比例调节单元32用于进行比例调节运算，该比例调节单元32的输入直接采用速度指令和速度反馈的差值。积分调节单元31用于进行积分调节运算，该积分调节单元21的输入采用经补偿単元33处理的速度指令和速度反馈的差值。上述比例调节单元32和积分调节单元31的运算结果之和即为控制电机运转的转矩指令。由于速度指令经过积分补偿后，使得PI调节器中积分调节分量最接近稳态时的转矩指令，闭环控制的速度反馈超调得到了很大的抑制，如图4所示。 假定上述用于速度控制的PI调节器已经进行了參数的标准化处理，所有的控制參数均为模拟量。此时PI调节器的速度闭环控制的传递函数可以表示为こ/Lザs + ki其中kp、ki、s分别为PI调节器的比例増益、PI调节器的
，
积分增益和拉普拉斯算子。根据以上传递函数，可以得到函数的带宽wn = VI，単位rad/s。上述的补偿单元33采用ー阶低通滤波器，该ー阶低通滤波器的传递函数表达式为"(.、.)=七+ 1其中τ为ー阶低通滤波器的滤波时间常数。若ー阶低通滤波器的滤波时间常数τ满足T=l/wn，则补偿単元33的运算可以近似地等效为ニ阶速度闭环控制器的相位延迟。这种情况下，速度闭环控制的动态性能由于比例调节的存在得到了保证，速度闭环控制的稳态性能由于积分调节的存在得到了保证。与此同时，由于速度指令经过积分补偿后，使得调节器中积分调节分量最接近稳态时的转矩指令，闭环控制的速度反馈超调得到了很大的抑制。如图5所示，是本发明PI调节器实现系统第二实施例的示意图。该PI调节器实现系统用于根据电流指令和电流反馈生成电压指令(该电压指令用于控制电机运转)，包括补偿单元53、比例调节单元52和积分调节单元51。上述补偿单元53、比例调节单元52和积分调节单元51可由硬件、软件或其结合构成。补偿单元53用于对电流指令进行积分补偿。具体地，该补偿単元53可采用ー阶低通滤波器。比例调节单元52用于进行比例调节运算，该比例调节单元52的输入直接采用电流指令和电流反馈的差值。积分调节单元51用于进行积分调节运算，该积分调节单元51的输入采用经补偿単元53处理的电流指令和电流反馈的差值。上述比例调节单元52和积分调节单元51的运算结果之和即为控制电机运转的电压指令。由于电流指令经过积分补偿后，使得PI调节器中积分调节分量最接近稳态时的转矩指令，闭环控制的电流反馈超调得到了很大的抑制，如图6所示。如图7所示，是本发明PI调节器实现方法实施例的流程示意图，该方法用于根据控制指令和反馈信息生成新的控制量。该方法包括以下步骤步骤S71 :对控制指令进行积分补偿运算。该步骤可通过ー阶低通滤波器实现。步骤S72 :将经过步骤S71的积分补偿运算的控制指令和反馈信息的差值进行积分调节运算。步骤S73 :将控制指令和反馈信息的差值进行比例调节运算。该步骤可与步骤S72同时执行。步骤S74 :根据上述步骤S72和步骤S73中的运算结果生成转矩指令。在上述的PI调节器实现方法中，PI调节器的闭环控制的传递函数为u,、 kp'^s + ki
"⑴=,Ιφ^, 其中，kp为PI调节器的比例増益、ki为PI调节器的积分増益、s为拉普拉斯算子。根据以上传递函数，可以得到函数的带宽wn= #，单位rad/s。相应地，步骤S71中积分补偿运算的传递函数为ガレ)=其中τ为ー阶低通滤波
器的滤波时间常数。若ー阶低通滤波器的滤波时间常数τ满足τ=1/￥η，那么积分补偿环节可以近似地等效为ニ阶速度闭环控制器的相位延迟。在上述方法可应用于速度控制，此时控制指令为速度指令，反馈信息为速度反馈，新的控制量为转矩指令。此外，上述方法也可应用于电流控制，此时控制指令为电流指令，反馈信息为电流反馈，新的控制量为电压指令。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种PI调节器实现系统，用于根据控制指令和反馈信息生成新的控制量；其特征在于包括补偿单元、比例调节单元和积分调节单元，其中所述补偿单元，用于对控制指令进行积分补偿；所述比例调节单元，用于将控制指令和反馈信息的差值进行比例调节；所述积分调节单元，用于将经补偿单元处理的控制指令和反馈信息的差值进行积分调节。
2.根据权利要求I所述的PI调节器实现系统，其特征在于所述PI调节器的闭环控制的传递函数为 ，其中，kP为PI调节器的比例增益、ki为PI调节器的积分增益、s为拉普拉斯算子。
3.根据权利要求2所述的PI调节器实现系统，其特征在于所述补偿单元为一阶低通滤波器且该一阶低通滤波器的传递函数为 其中T为一阶低通滤波器的滤波时间常数。
4.根据权利要求3所述的PI调节器实现系统，其特征在于所述一阶低通滤波器的滤波时间常数T满足T = 1/wn,其中wn = 。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的PI调节器实现系统，其特征在于所述控制指令为速度指令，所述反馈信息为速度反馈，所述新的控制量为转矩指令；或者所述控制指令为电流指令，所述反馈信息为电流反馈，所述新的控制量为电压指令。
6.一种PI调节器实现方法，用于根据控制指令和反馈信息生成新的控制量；其特征在于包括以下步骤 对控制指令进行积分补偿，并将经过积分补偿的控制指令和反馈信息的差值进行积分调节； 将控制指令和反馈信息的差值进行比例调节。
7.根据权利要求6所述的PI调节器实现方法，其特征在于所述PI调节器的闭环控制的传递函数为 ，其中，kp为PI调节器的比例增益、ki为PI调节器的积分增益、S为拉普拉斯算子。
8.根据权利要求7所述的PI调节器实现方法，其特征在于所述对控制指令进行积分补偿操作由一阶低通滤波器实现且该一阶低通滤波器的传递函数为 ，其中T为一阶低通滤波器的滤波时间常数。
9.根据权利要求8所述的PI调节器实现方法，其特征在于所述一阶低通滤波器的滤波时间常数T满足T = 1/wn,其中
10.根据权利要求6-9中任一项所述的PI调节器实现方法，其特征在于所述控制指令为速度指令，所述反馈信息为速度反馈，所述新的控制量为转矩指令；或者所述控制指令为电流指令，所述反馈信息为电流反馈，所述新的控制量为电压指令。
全文摘要
本发明提供了一种PI调节器实现系统，用于根据控制指令和反馈信息生成新的控制量；包括补偿单元、比例调节单元和积分调节单元，其中所述补偿单元，用于对控制指令进行积分补偿；所述比例调节单元，用于将控制指令和反馈信息的差值进行比例调节；所述积分调节单元，用于将经补偿单元处理的控制指令和反馈信息的差值进行积分调节。本发明还提供了一种对应的方法。本发明通过引入积分补偿环节，可有效抑制采用PI调节器闭环控制的反馈超调。
文档编号H02P21/00GK102811014SQ201210270299
公开日2012年12月5日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者何俊辉 申请人:深圳市汇川技术股份有限公司, 苏州汇川技术有限公司, 苏州默纳克控制技术有限公司