An Improved Feedforward Control Strategy to Promote the Rapidity of PMSM Servo System and Reduce Overshoot Oscillation

Wentao Zhang; Yan Zhang; Yongxiang Xu; Jibin Zou

Harbin Institute of Technology, Harbin, China

W. Zhang, Y. Zhang, Y. Xu and J. Zou, "An Improved Feedforward Control Strategy to Promote the Rapidity of PMSM Servo System and Reduce Overshoot Oscillation," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 9, no. 1, pp. 100-109, March 2025, doi: 10.30941/CESTEMS.2025.00008.

摘 要

在大慣性負(fù)載條件下，伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)響應(yīng)速度更為敏感，更容易產(chǎn)生超調(diào)振蕩。為了實(shí)現(xiàn)大慣性負(fù)載下永磁同步電機(jī)（PMSM）的高精度和快速響應(yīng)控制，提出了一種基于位置脈沖補(bǔ)償和 PD 迭代算法的改進(jìn)型前饋控制策略，以提高 PMSM 伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度并減少超調(diào)振蕩。本文分析了 PMSM 速度伺服系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了 PMSM 伺服系統(tǒng)的位置超調(diào)脈沖，并改進(jìn)了傳統(tǒng)的前饋控制策略，在位置即將超調(diào)時(shí)進(jìn)行反向補(bǔ)償。此外，為了進(jìn)一步減少位置超調(diào)，在不增加算法復(fù)雜度的情況下疊加了 PD 迭代控制算法，通過多次運(yùn)行不斷修正輸入信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)更平滑的響應(yīng)控制。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的前饋控制策略的有效性。

Abstract

Under the condition of large inertia load, the stability of the servo system is more sensitive to the response speed and more likely to produce overshoot oscillations. In order to realize the requirements of high-precision and fast-response control of permanent magnet synchronous motor (PMSM) under large inertia load, an improved feedforward control strategy based on position impulse compensation and PD iterative algorithm is proposed to improve the response speed of the PMSM servo system and reduce the overshoot oscillation. This paper analyzes the mathematical models of the speed servo system and position servo system of the PMSM, calculates position overshoot impulse of the PMSM servo system, and improves the traditional feedforward control strategy to reversely compensate when the position is about to overshoot. Moreover, in order to further reduce the position overshoot, the PD iterative control algorithm is superimposed without increasing the complexity of the algorithm. The input signal is continuously corrected through multiple runs to achieve a smoother response control. The effectiveness of the proposed feedforward control strategy is verified by simulation and experiment.

PD迭代控制結(jié)構(gòu)圖

作者信息

張文韜，山東人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院副研究員。他于2021年獲得哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程博士學(xué)位，同年入選哈工大春雁英才計(jì)劃。他研究方向包括永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和控制算法。

張巖，河南人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程碩士研究生。研究方向包括永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制。

徐永向(Member, IEEE)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院特種電機(jī)研究中心主任、長聘教授。分別于2001年和2005年獲得哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程碩士和博士學(xué)位。研究方向包括永磁電機(jī)設(shè)計(jì)和控制。

鄒繼斌(Senior Member, IEEE)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人、長聘教授。分別于1984年和1988年獲得哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程碩士和博士學(xué)位。自1985年以來，一直從事電機(jī)的研究，研究方向包括特種電機(jī)設(shè)計(jì)和控制。

《中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電機(jī)與系統(tǒng)學(xué)報(bào)（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)和中國科學(xué)院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學(xué)會(huì)技術(shù)支持的英文學(xué)術(shù)期刊。期刊發(fā)表國內(nèi)外有關(guān)高性能電機(jī)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電力電子、可再生能源系統(tǒng)、電氣化交通等研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域中原創(chuàng)、前沿學(xué)術(shù)論文。中國工程院院士馬偉明擔(dān)任主編，IEEE 副主席 Don Tan 博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網(wǎng)、萬方、維普等數(shù)據(jù)庫收錄。

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