ZHCU083I January 2013 – October 2021 TMS320F2802-Q1 , TMS320F28026-Q1 , TMS320F28026F , TMS320F28027-Q1 , TMS320F28027F , TMS320F28027F-Q1 , TMS320F28052-Q1 , TMS320F28052F , TMS320F28052F-Q1 , TMS320F28052M , TMS320F28052M-Q1 , TMS320F28054-Q1 , TMS320F28054F , TMS320F28054F-Q1 , TMS320F28054M , TMS320F28054M-Q1 , TMS320F2806-Q1 , TMS320F28062-Q1 , TMS320F28062F , TMS320F28062F-Q1 , TMS320F28068F , TMS320F28068M , TMS320F28069-Q1 , TMS320F28069F , TMS320F28069F-Q1 , TMS320F28069M , TMS320F28069M-Q1
在整个 PI 调整部分中,我们讨论了一种实用有效的级联速度环路 PI 控制器调整方法,该方法仅需指定速度环路所需的带宽和系统所需的阻尼因子。利用上述两个参数以及一些基本的电机和负载参数,即可计算出速度环路和内部电流环路的 PI 系数。但我们并没有讨论过对系统施加的限值,尤其是在使用数字系统时。显然,为提高响应速度,需要更大的增益,即需要更高的带宽。但上限是多少呢?
要回答这一问题,请参考图 12-22,其中显示了基于数字 FOC 的变频器 (VFD) 的高级视图。为简化讨论,将假设整个控制环路都由普通采样信号提供时钟(尽管实际应用中未实施该限制条件)。许多情况下,速度环路的时钟频率会比电流环路低很多,因为速度环路相关的频率通常要低得多。
在模拟系统中,电机反馈信号的任何变化都会立即对输出控制电压产生影响。但在图 12-22 所示的数字控制系统中,系统在 PWM 周期开始时通过 ADC 对电机信号进行采样并执行相应的控制计算,然后将得到的控制电压存入双缓冲 PWM 寄存器。上述值在 PWM 模块中保持未使用状态,直到下一个 PWM 周期开始时才会将其作为 PWM 输出的时钟信号。从系统建模的角度看,这就相当于采样频率等于 PWM 更新频率时的采样和保持功能。采样和保持功能的固定延时时间表现为滞后相位角,频率越高时滞后情况越严重。图 12-23 显示了采样和保持功能的标准化频率曲线图,假设采样频率为 1。相位曲线是最重要的图形,因为它显示了采样和保持功能的相位延迟频率能够达到远低于采样频率的水平。例如,即使在采样频率的十分之一处,采样和保持 (S&H) 功能仍然会产生 -18 度的相移。
与速度环路相比,电流控制器处理带宽更高的信号,因此电流环路通常承受 PWM 模块的大部分 S&H 影响。由于 S&H 与电流环路的信号路径串联,因此其幅度和相位影响都将直接添加到电流控制器的开环响应中。如果重写电流控制器的开环响应方程(假设进行了 PI 调整部分中建议的替换),则最终得到Equation76。
其中:
BWc 为选定的电流控制器闭环带宽。
很明显,0dB 频率出现在 s = BWc 时。s = 0 处的单极点意味着 0dB 频率有 90 度的相位裕度。尽管不存在完美比率,但通常倾向于使用经验法则,即采样频率应至少为电流控制器带宽 (BWc) 的 10 倍。这样可确保 S&H 相位延迟的影响仅从电流控制器的相位裕度中减去 18 度,从而得到非常稳定的 72 度相位裕度。当然,如有需要还可设置更高的采样频率,但这通常需要使用具有更高 MIPS 的更加昂贵的处理器。
最后,看一下频率范围的上限。在低频率下,粘滞阻尼可通过改变 0dB 频率下的相位裕度对速度环路响应时间产生影响。根据Topic Link Label12.4,已建立电机扭矩和负载速度间的以下传递函数:
但如果存在粘滞阻尼,则需要使用部分电机扭矩克服阻尼以便流畅移动。由于粘滞扭矩直接与负载速度成正比,因此可将Equation77 改写为:
其中:
kv 是粘滞阻尼因子。
如Equation78 所示,添加粘滞阻尼项会将 s = 0 处的极点移动到 s = kv/J。图 12-24 显示了添加粘滞阻尼如何改变负载的波特图。
如图 12-24 所示,随着粘滞阻尼从零开始增加,低频增益在值为 1/kv 处达到稳定。在较低频率时,相位曲线的净效应将增加更多的相位裕度,因为具有粘滞阻尼的负载的相位滞后始终少于仅具有惯性的负载。因此,对于 kv 的非零值,稳定性实际上应该得到改善。但是,响应时间可能会受到影响,具体取决于速度开环 0dB 频率相对于图 12-24 中所示的极点频率的位置。因此,如果系统响应迟缓且电机输出似乎未达到额定扭矩,则可能是系统中粘滞阻尼过大。
在 PI 调整部分系列内容结束前,还有一个主题要讨论。许多情况下,工程师正确计算了 PI 系数。在代码中使用这些系数后,出现电机旋转失控或静止不动的情况。为什么会发生这种情况?很有可能是以下情况之一出现故障: