电动变桨伺服系统位置前馈控制器的设计研究

电动变桨伺服系统位置前馈控制器的设计研究孙传华1杨东涛2（1、兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州7300702、甘肃省交通科学研究所有限公司，甘肃兰州730050）引言风能作为清洁的可再生的绿色能源，已经受到世界各国的普遍重视，风力发电技术也开始成为越来越多国家的研究重点。

国外大型风力发电机组尤其是兆瓦级以上的风力机组一般采用电动变桨距控制技术。

本文是在这个大背景下，应用三相交流异步电动机和矢量控制原理，对电动变桨伺服控制系统进行了详细研究。

电动变桨伺服控制系统需要对叶片角度进行精确的定位控制，传统伺服系统中，位置环设计成比例控制环节,无法完全满足该电动变桨伺服系统的要求。

本文为了进一步加强位置环的跟随性能，采用了位置前馈控制器。

通过MATLAB 仿真结果表明，在交流电动变桨伺服系统中位置环采用前馈控制，可以使伺服系统获得快速的动态响应，并且通过对位置环比例系数的调节，可以保证系统定位的高精度、无超调。

1电动变桨伺服系统的结构目前，大型风电机组普遍采用独立变桨距的三桨叶结构。

每个桨叶分别采用一个带位移反馈的伺服电机进行单独调节。

位移传感器采用增量式编码器，安装在电动机输出轴上，采集电机转动角度。

由于桨距角的变化速度都很慢,一般在7.5°每秒附近，而一般的伺服电机额定转速都为每分钟几千转，因此需要一个减速机构。

伺服电机连接减速箱，通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相连，带动桨叶进行转动，实现对桨叶节距角的直接控制[1]。

整个电动变桨伺服控制系统框图如图1所示。

本伺服系统采用位置环、速度环、电流环的三环控制方式，其中PWM 调制方式采用电压空间矢量法（SVPWM ），驱动电源采用电压型逆变器。

图中APR 是位置控制器，ASR 是速度控制器，ACR是电流控制器[2]。

速度环与电流环要求实现快速响应和良好的抗干扰性能，可按典型Ⅱ型系统设计；位置环要求有良好的跟随性能，目前大多采用典型Ⅰ型系统进行设计。

图1伺服控制系统结构图2电动变桨位置前馈控制器的设计2.1前馈控制器设计原理。

在高精度伺服控制中，为了保证整个系统的稳定性，不可能过分照顾快速跟随作用。

要想进一步提高系统的跟随性能，可以采用前馈控制。

经典控制理论中的前馈控制设计是基于复合控制思想，当闭环系统为连续系统时，使前馈环节与闭环系统的传递函数之积为1，从而实现输出完全复现输入[3]。

利用前馈控制的思想，针对PID 控制设计前馈补偿，以提高系统的跟踪性能，其结构如图2所示。

图2PID 前馈控制结构2.2电动变桨位置前馈控制器的设计。

电动变桨位置伺服控制框图如图3所示。

其中，R （s ）代表给定的桨叶节距角，C （s ）代表桨叶节距角的反馈值。

图3电动变桨位置伺服控制框图电动变桨三闭环伺服控制系统中，调节器的设计方法是从内环到外环，逐个设计各环的调节器。

首先设计电流调节器，然后将电流环简化成转速环中的一个环节，和其他环节一起构成转速调节器的控制对象，再设计转速调节器。

最后，再把整个转速环简化为位置环中的一个环节，从而设计位置调节器[4]。

当速度调节器采用PI 控制，在位置环的截止频率远小于速度环的截止频率时，速度环的闭环传递函数可等效为（1）式中：K A S R 为速度环比例增益；τ为速度环积分时间；J 为电机转动惯量。

现在大多数变桨距伺服系统位置环均采用比例调节器进行控制，即G 1(s)=K p 。

此时系统的闭环传递函数为（2）式中，位置环频率阻尼比变桨位置伺服系统中，要求位置响应无超调，因此要求系统的阻尼比ζ叟1，由此得到：（3）为了保证系统的无超调，位置环的比例增益就要取得很小，从而就不能保证系统的快速响应要求。

所以，如果位置环只采用比例控制就会存在动态响应速度慢的缺点。

为了克服这一缺点，本文在传统的设计方法上进行改进，在位置环中引进了前馈控制器。

电动变桨位置伺服系统位置环采用前馈控制的框图如图4所示。

由此可得该系统的闭环传递函数为图4位置前馈控制器框图（4）由前馈控制器设计原理可知，当F(s)=1/G 2(s)时，H(s)=1，则可以使输出完全复现输入，并且能使系统的暂态和稳态误差都为零。

此时（5）上式即为该系统的前馈控制器。

从理论分析可得，对于图3所示的不加前馈补偿器的交流变桨距位置伺服系统，其闭环传递函数为（6）比较一下式（4）和式（6），不难得到，它们的分母完全相同。

因此，在只采用比例控制器调节位置环的变桨距伺服系统中增加前馈补偿不会影响原系统的稳定性。

3仿真结果在交流电动变桨伺服控制系统的MATLAB 仿真中，采用的交流异步电动机的额定功率为4kW ，额定转速为1420r/min ，额定电压为230V ，额定转矩为29N .m ，转动惯量为0.0180kg .m 2，给定的参考桨叶节距角为15°。

图5分别为在MATLAB 仿真中给出各种不同位置环参数时的位置跟踪波形。

图5a 为位置环没加前馈控制时采用低增益的比例控制器位置跟踪波形，从图5a 中可以看出，为了满足位置无超调，动态响应速度较慢，完成定位大约需要5s ，这是采用低增益的位置控制器带来的缺点；图5b 为位置环没加前馈控制时采用高增益的比例控制器位置跟踪波形，从图5b 中可以看出，在完成定位的过程中，虽然速度较快，但在定位过程中会有较大的位置超调，这在变桨距位置伺服系统控制中是不允许的；图5c 为采用前馈控制器设计方法时位置跟踪波形，在完成定位过程中只花了2s ，并且在跟踪过程中没有产生位置超调。

（a ）低比例增益下的位置跟踪过程（b）高比例增益下的位置跟踪过程（c ）加前馈控制时的位置跟踪过程图5不同位置环参数下的位置跟踪过程4结论在电动变桨位置伺服系摘要：在要求高精度、快速响应的电动变桨伺服定位系统中，位置环采用单纯的比例调节器很难同时满足定位的快速性、高精度，以及位置的无超调。

本文在位置环中采用了前馈控制器来满足电动变桨伺服系统定位的各项要求。

通过MATLAB 仿真结果表明，位置环采用前馈控制器，不仅可以实现无超调的准确定位，同时保证了伺服系统快速响应的动态性能。

关键词：电动变桨距；伺服控制；前馈控制器；无超调ÁÂÁÂÁ()()()()()1()()F s G s G s G s H s G s G s ：：：（下转123页）统这种要求定位精度高、定位速度快、位置响应无超调的伺服系统中，在位置环中采用位置前馈控制器，不仅可以实现无超调的准确定位，同时可以保证伺服系统快速响应的动态性能。

位置环的比例增益、前馈增益可以根据不同电机的运行要求进行适当的调节。

MATLAB 仿真结果表明，在位置环中采用前馈控制，不仅使系统具有快速的动态响应，而且具有无超调的高定位精度，满足了电动变桨位置伺服系统的控制要求。

参考文献[1]叶航冶.风力发电机组控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002.[2]胡庆波，吕征宇.全数字伺服系统中位置前馈控制器的设计[J].电气传动，2005.[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统--运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2006.5.[4]杨耕，罗应立.电机与运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2006.3.作者简介：孙传华（1982~），女，兰州交通大学自动化与电气工程学院控制理论与控制工程专业研究生，主要从事电机控制，伺服控制技术方面的研究。

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