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摘 要

本文主要介绍了一种PID控制器参数整定方法，并通过仿真来验证该方法的正确性。根据永磁同步电机系统的传递函数、开环截止频率和相角裕度，推导出电流环和速度环PI参数的表达式。推导过程中除了考虑到非理想因素的影响，还限定了电流环和速度环的开环截止频率和相角裕度的范围。根据实际性能要求，设定期望的开环截止频率和相角裕度，通过参数表达式计算出控制器的参数；或者根据设定的参数来计算系统的开环截止频率和相角裕度，从而来评估参数的性能。最后可以根据仿真的结果加入微分环节D进行调节使得系统获得更好的性能要求从而完成PID控制器的设计。

该参数整定方法使得频域参数、控制器参数和时域性能之间建立了联系，并且通过仿真来验证该方法的可行性。

关键词：永磁同步电机 PID控制器 参数整定

The PID Controller Design of Electric Drive System

Abstract

This paper introduces a parameter tuning method for PID controller, and through the simulation to verify the correctness of the method.Based on the transfer function of permanent magnet synchronous motor system, the open loop cut-off frequency and phase margin, parameter expressions for current and speed PI controller parameters are derived.In addition to considering the influence of the non-ideal factors, the derivation process also limits the range of the open loop cut-off frequency and phase margin for the current loop and the speed loop.According to the actual performance requirements, parameters were calculated by parameter expressions by setting the desired cut-off frequency and phase margin of the current loop and the speed loop.It can be also inverse-calculate the cut-off frequency and phase margin to evaluate the performance of the given parameter. Finally, according to the result of simulation,we can add differential link D to make the system get better requirements of performance to complete the design of PID controller.

This approach establishes the relationship among the frequency domain parameters，controller parameters and system performance in time domain,and though the simulations to verify the correctness and feasibility of the proposed method.

Key words：permanent magnet synchronous motor; PID controller; parameter tuning

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 PID控制器的概述 1

1.2.1 PID控制器的定义 1

1.2.2 PID控制器各部分的作用 2

1.2.3 PID控制器的发展 2

1.3 电气传动系统概述 2

1.4 PID控制器设计在电气传动系统中的作用 3

1.5 本课题主要研究内容 4

第二章 永磁同步电动机调速系统PID控制器参数整定方法 5

2.1 永磁同步电机概述 6

2.2 永磁同步电机调速系统的数学模型 6

2.2.1 永磁同步电机模型 6

2.2.2 电压源型逆变器模型 7

2.2.3 滤波器模型 8

2.3 电流环分析 9

2.3.1 电流环PI控制器参数的参数表达式 9

2.3.2 电流环开环截止频率的范围界定 11

2.3.3 电流环相角裕度的范围界定 13

2.4 速度环分析 14

2.4.1 速度环PI控制器参数参数表达是 14

2.4.2 速度环开环截止频率范围的界定 15

2.4.3 速度环相角裕度范围的界定 16

第三章 电气传动系统的建模与仿真 18

3.1 电流环仿真 18

3.2 速度环仿真 22

3.3 永磁同步电机调速系统的仿真验证 25

第四章 总结与展望 31

致 谢 32

参考文献 33

第一章 绪论

1.1 课题背景

电气传动是一种具有时代性和先进性的学科。该学科衍生于1900年，在电机逐步改进的同时，对它的传动的传输控制方面的研究也作为一个单独的问题被提出。最开始对于电机的控制[^[1]]有一定的局限性，只是适用于一些简单的系统。电机的闭环连续控制系统[^[2]]在放大器出现以后，工作稳定性及其它方面有了很大的改善，同时也因此促进了电机的发展和推进进程，自此，电机传动也成为自动化控制系统的一个重要组成部分。随着相关技术理论的推进，电机传动的发展已进入新的阶段。如今的电气传动是一个新学科，它包含了各个方面新的技术。

电气传动系统始终贯穿于我们的日常生活中。它已广泛应用于金属炼制、港口、机械、航天航空、石油化工等专业领域，不仅有大型调速系统[^[3]]如起重机、精密机床等，而且有小型调节速度的系统如洗衣设备和电冰箱等，所以电气传动系统在人们的日常生活以及一些工业生产过程中扮演着越来越不可忽视的角色，譬如节能、改善产品质量、提高产品产量、改善环境等，发现更多的环保新能源。

近些年来，中国电气传动产物的在市场上所占份额逐年增加，市场形势良好。总的来说电气传动技术是我国社会发展中具有很大影响力的基础性技术和高科技，它的不断发展与突破不仅使我们获得更经济、更高效的使用材料和新能源，同时它对于生产率的提高和提升国民经济具有一定的促进作用。因此，怎样提高电气传动系统的性能至关重要。

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