永磁同步電機(jī)模糊控制方法研究

張 池

(中船重工 712研究所,湖北 武漢 430064)

隨著電力電子技術(shù)、新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展,具有功率密度大、效率高、轉(zhuǎn)子損耗小、轉(zhuǎn)矩慣性比高等優(yōu)點(diǎn)的永磁同步電動機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,簡稱 PMSM)驅(qū)動系統(tǒng)已越來越多地應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)場合[1-2]。雖然 PMSM有諸多優(yōu)點(diǎn),但驅(qū)動系統(tǒng)仍需要一個優(yōu)秀的控制策略,使得該系統(tǒng)有寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)定性、高效率,以適應(yīng)高端設(shè)備伺服系統(tǒng)、電動汽車等新興領(lǐng)域的發(fā)展要求。參數(shù)自整定模糊 PI能夠?qū)?fù)雜對象和模型不清楚對象進(jìn)行簡單而有效的控制,它將模糊和 PI控制兩者結(jié)合,既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又具有 PI控制精度高并且易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)[3-5]。在分析 PMSM矢量控制的基礎(chǔ)上,提出了一種基于自適應(yīng)模糊 PI的 PMSM定子電流最優(yōu)控制策略。不僅解決了傳統(tǒng)控制方案對電機(jī)參數(shù)的依賴,亦使系統(tǒng)能迅速響應(yīng)各種實(shí)際工況。采用Matlab仿真軟件的 Simulink模塊對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果驗(yàn)證了此控制策略的正確性和有效性。

1 PMSM矢量控制原理

交流電機(jī)的矢量控制是 1971年由德國 F.Blaschk等人提出的。其基本思想是在交流電機(jī)上模擬直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律。在磁場定向坐標(biāo)上,將電流矢量分解為產(chǎn)生磁通的勵磁電流和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流,使兩個電流分量相互垂直、彼此獨(dú)立,因此可以分別加以控制。在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)子磁極的位置用來決定逆變器的觸發(fā)信號,以保證逆變器輸出頻率始終等于轉(zhuǎn)子角頻率。對永磁同步電機(jī)來說,轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同,通過檢測轉(zhuǎn)子實(shí)際位置就可知電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通位置,因此 PMSM矢量變化控制的實(shí)質(zhì)就是控制定子電流空間矢量相位和幅值。

在矢量控制中定子電流的控制模式是多種多樣的,且電流控制模式和轉(zhuǎn)子的幾何結(jié)構(gòu)影響著永磁同步電機(jī)的性能和變換器的容量。這里采用常見的直軸電流 id=0模式,該控制方式突出的優(yōu)點(diǎn)是沒有電機(jī)直軸電樞反應(yīng),不會引起永磁體的去磁現(xiàn)象,且可以同時實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)每安培最大推力控制,只要控制好定子電流的幅值和相位,就可以得到滿意的推力控制特性。矢量控制原理框圖如圖1所示。

圖1 永磁電機(jī) id=0控制原理圖

在圖1所示的基于 PI調(diào)節(jié)器的 PMSM控制結(jié)構(gòu)圖中,id的參考電流為零,iq的參考電流經(jīng) PI調(diào)節(jié)器輸出,控制器結(jié)構(gòu)簡單,但是 PI調(diào)節(jié)器的 Kp和Ki參數(shù)在系統(tǒng)設(shè)定時就固定了,在系統(tǒng)運(yùn)行階段不能修改,所以當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時,系統(tǒng)調(diào)節(jié)還是按照既定的控制率控制,無自適應(yīng)能力。下面給出采用模糊控制器在線整定 PI調(diào)節(jié)器 Kp、Ki參數(shù)的控制方法。

2 模糊 PI控制器原理

模糊控制是基于“專家知識”、采用語言規(guī)則表示的一種人工智能控制策略。模糊控制主要是模擬人的思維、推理和判斷的一種控制方法,它將人們的經(jīng)驗(yàn)、常識等用自然語言的形式表達(dá)出來,建立一種適應(yīng)于計算機(jī)輸入輸出的過程模型,是智能控制的一個重要研究領(lǐng)域。模糊控制器 (Fuzzy controller)是模糊控制系統(tǒng)的核心,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊控制器組成

3 模糊 PI控制器實(shí)現(xiàn)

3.1 模糊 PI控制器的設(shè)計

根據(jù)工程實(shí)際要求,用于 PI參數(shù)調(diào)整的模糊控制器采用二輸入二輸出的形式,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該控制器是以誤差 E和誤差變化率 EC作為輸入,PI控制器的兩個參數(shù)的修正值 Kp、Ki作為輸出。取輸入 E和 EC,模糊子集為 {NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},子集元素分別代表負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大。取輸出 Kp、Ki,模糊子集為{K0(零 )、K1(很小 )、K2(小 )、K3(中小 )、K4(中 )、K5(中大 )、K6(大 )}。

參數(shù)自整定模糊 PI控制器就是找出在不同時刻 PI兩個參數(shù)與 E和 EC之間的模糊關(guān)系,在運(yùn)行中通過不斷檢測 E和 EC,根據(jù)模糊控制原理來對三個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時修改。由前人經(jīng)驗(yàn),可歸納出參數(shù)Kp、Ki的自整定規(guī)則[7-8]：①在系統(tǒng)運(yùn)行初始階段,|E|較大,為了加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,應(yīng)取較大的 Kp。另外為防止積分飽和,避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào),此時應(yīng)去掉積分作用,取 Ki=0;②在系統(tǒng)運(yùn)行的中間階段,即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)期的前一階段,|E|值中等大小,為了使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小和保證一定的響應(yīng)速度,應(yīng)取較小的 Kp,而 Ki大小要適中;③在系統(tǒng)即將進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的階段,|E|較小,為了使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能,應(yīng)增大 Kp和 Ki的數(shù)值。

3.2 編輯隸屬度函數(shù)

調(diào)節(jié)比例系數(shù) Kp的模糊邏輯控制器 FLC(p),在偏差大時輸出較大的比例系數(shù),偏差適中時輸出較小的比例系數(shù),偏差較小時為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性要輸出較大的比例系數(shù);調(diào)節(jié)積分系數(shù) Ki的模糊邏輯控制器 FLC(I),在偏差大時為了防止積分飽和輸出的積分系數(shù)為 0,在偏差適中時輸出適當(dāng)?shù)姆e分系數(shù),在偏差較小時輸出大的積分系數(shù)使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。所以 E的論域在接近 0時分布要密一些。因此要達(dá)到更好的控制效果 E、EC的論域?yàn)椴坏染喾植?比例和積分系數(shù) Kp,Ki為論域等距分布。E、EC、Kp、Ki的論域如下：

E、EC、Kp和 Ki的隸屬度函數(shù)均采用三角型(Trimf)。在隸屬度函數(shù)編輯器 (Mfedit)中輸入所確定的論域。

3.3 編輯模糊控制規(guī)則

模糊控制查詢表是模糊控制器的設(shè)計核心,根據(jù)電機(jī)控制經(jīng)驗(yàn) (參見 3.1)和大量的模擬仿真得到了模糊控制規(guī)則集,見表1和表2。

表1 Kp的控制規(guī)則表

表2 Ki的控制規(guī)則表

根據(jù)控制規(guī)則表1和表2把模糊運(yùn)算規(guī)則分別輸入到調(diào)節(jié) Kp和 Ki的模糊邏輯控制器 FLC(P)和FLC(C)的模糊規(guī)則編輯器中,這時在模糊規(guī)則觀察器和曲面觀察器中就可以看到對應(yīng)的規(guī)則的變化規(guī)律,如圖4和圖5所示。

圖4 FLC(p)模糊規(guī)則曲面觀察器

圖5 FLC(c)模糊規(guī)則曲面觀察器

4 系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證本文的方法,采用 Simulink進(jìn)行仿真研究。在 Simulink中按照圖6和圖7分別設(shè)計基于傳統(tǒng) PI控制器的控制系統(tǒng)和基于模糊 PI調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng),電機(jī)參數(shù)如下：Rs=2.875Ω,Lq=Ld=8.5×10-3H,ψp=0.175 Wb,J=8 ×10-3kg·m2,p=4。仿真時間是 0.05 s,電機(jī)給定轉(zhuǎn)速為 700 r/min,負(fù)載轉(zhuǎn)矩初始為 3 N·m,0.03 s時突變?yōu)?7 N·m。

圖6 基于傳統(tǒng) PI控制器的仿真

圖7 基于模糊 PI調(diào)節(jié)器的仿真

5 仿真結(jié)果

采用 PI調(diào)節(jié)器和該文介紹的模糊 PI調(diào)節(jié)器仿真結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖8 id=0方式轉(zhuǎn)速波形

圖9 模糊 PI控制方式轉(zhuǎn)速波形

從仿真結(jié)果可以看出,永磁電機(jī)在模糊 PI控制方式下速度超調(diào)量較小,調(diào)節(jié)時間較短,當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載擾動時,采用傳統(tǒng) PI調(diào)節(jié)器的 PMSM控制系統(tǒng)發(fā)生振蕩,未能快速的穩(wěn)定于 700 r/min,而采用模糊 PI調(diào)節(jié)器的 PMSM控制系統(tǒng)的動態(tài)速降較小,并能快速的穩(wěn)定于 700 r/min。

以上仿真結(jié)果說明采用傳統(tǒng) PI調(diào)節(jié)器的PMSM控制系統(tǒng)在整個運(yùn)行期間由于 PI參數(shù)固定,所以當(dāng)參數(shù)變化或者負(fù)載有擾動時會導(dǎo)致性能下降;采用本文介紹的模糊 PI調(diào)節(jié)器的 PMSM控制系統(tǒng)利用模糊控制器在線實(shí)時整定 PI參數(shù),所以當(dāng)參數(shù)變化或者出現(xiàn)負(fù)載擾動時,能夠調(diào)節(jié) PI參數(shù)快速的跟蹤系統(tǒng)輸出,從而在整個系統(tǒng)具有更好的動態(tài)穩(wěn)定性。

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