永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的分析

喬之勇，何彥杉

（1.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川綿陽621000；2.華南理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510640）

永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的分析

喬之勇1，何彥杉2

（1.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川綿陽621000；2.華南理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510640）

針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)與鼠龍式三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的不同特點(diǎn)，本研究在傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)中引入了模糊PI控制方法，利用模糊控制理論控制永磁同步電動(dòng)機(jī)。在Matlab/Simulink仿真軟件中設(shè)計(jì)了模糊PI控制模型，通過仿真分析可知，該控制方法相比三相異步電動(dòng)機(jī)能更快地建立起旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能實(shí)時(shí)抑制超調(diào)量，因此，采用模糊PI控制方法控制永磁同步電動(dòng)機(jī)更具優(yōu)越性。研制了一臺(tái)樣機(jī)，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、電壓電流信號(hào)的采集，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制算法，坐標(biāo)變換及三相電流參考信號(hào)、PWM信號(hào)的產(chǎn)生，以及系統(tǒng)保護(hù)、顯示等任務(wù)。驗(yàn)證了控制永磁同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，模糊PI控制下的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)相比傳統(tǒng)PI控制下的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)更平緩。

永磁同步電動(dòng)機(jī)；模糊系統(tǒng)；PI控制；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

0 前言

永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率和功率因數(shù)高，力矩慣量大，定子電流和定子電阻損耗小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、控制性能好，既沒有直流電機(jī)的換向器和電刷，也不需要異步電動(dòng)機(jī)無功勵(lì)磁電流[1]。同步電動(dòng)機(jī)歷來是以轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持同步而著稱，只要電源頻率保持恒定，同步電動(dòng)機(jī)在額定輸出功率內(nèi)負(fù)載變化，其轉(zhuǎn)速保持不變。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制[2-3]，因此可以有效代替直流電機(jī)。

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間的分布呈正弦波和梯形波兩種。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形也有兩種（正弦波、梯形波）。習(xí)慣上把正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)；而梯形波（方波）永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。

1 同步電機(jī)模糊控制

模糊PI控制器的模糊規(guī)則是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)總結(jié)而來，要求使用者具有熟練的PI調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)才能確立正確的調(diào)整規(guī)則，圖1是模糊PI控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 模糊PI控制器的結(jié)構(gòu)框圖

由圖1中可知，當(dāng)采樣值與參考值比較后進(jìn)行模糊系統(tǒng)處理的三個(gè)過程（模糊化、模糊推理和清晰化），最后計(jì)算出PI值得到六個(gè)開光管的觸發(fā)信號(hào)。下面分析這三個(gè)過程。

（1）模糊化過程。

模糊化過程就是將輸入變量e（t）和pe（t）（p為微分算子）映射到相應(yīng)模糊集合的過程，如果已知e（t）∈[-emax，emax]，pe（t）∈[-demax，demax]，模糊論域?yàn)閇-6，6]，可確定輸入變量的量化因子為

從式（1）中可知，對(duì)于任意誤差e（t）和pe（t）誤差變化率都可以利用式（1）將其映射到相應(yīng)的模糊區(qū)間，從而實(shí)現(xiàn)從真值變量到模糊變量的映射，如圖2所示。

假設(shè)輸入變量量化后的值為x，若以模糊中心來表示相應(yīng)的語言變量，則x的隸屬度μ（x）可以表示為

（2）模糊推理和模糊決策過程。

模糊推理和模糊決策過程就是利用模糊化后的輸入變量和知識(shí)庫中的模糊規(guī)則決策出控制策略的過程。知識(shí)庫是模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，其模糊規(guī)則是一組來自于專家或基于該領(lǐng)域知識(shí)的模糊IF-THEN規(guī)則，直接影響模糊系統(tǒng)的控制性能。表1為λ的模糊規(guī)則。

表1 λ的模糊規(guī)則

本研究采用中心解模糊器來實(shí)現(xiàn)模糊輸出的清晰化過程，其中模糊輸出的隸屬度分布函數(shù)如圖3所示。

圖3 λ的隸屬度分布函數(shù)

圖3中的“S”、“MS”、“M”、“B”分別表示“小”、“較小”、“較大”、“大”的隸屬度分布。因此設(shè)計(jì)λ的隸屬度分布函數(shù)為

2 仿真分析

圖4為同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線[4]，分析可知：在空載啟動(dòng)過程，模糊PI控制產(chǎn)生的負(fù)向調(diào)整轉(zhuǎn)矩約為-2 N·m，而傳統(tǒng)負(fù)向調(diào)整轉(zhuǎn)矩約為-5 N·m。雖然在t=0.1 s后電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而模糊控制的波動(dòng)比傳統(tǒng)控制小，同時(shí)低速空載穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩響應(yīng)平穩(wěn)。因此，模糊控制比傳統(tǒng)控制性能更加穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。

圖4 模糊PI控制和傳統(tǒng)PI控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模糊控制的有效性，本系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)速和電流采樣閉環(huán)控制，如圖5所示。轉(zhuǎn)速環(huán)在閉環(huán)運(yùn)行期間，單片機(jī)利用定時(shí)中斷定時(shí)對(duì)位置計(jì)數(shù)器采樣一次，得出轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置ε，從而確定三相給定電流的相位，由當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置與上次位置之差計(jì)算出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速信號(hào)確定指令電流，然后通過單片機(jī)給出三相指令電流信號(hào)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換就獲得了定子三相指令電流的瞬時(shí)值[5]。再將指令電流與實(shí)際檢測(cè)到的三相反饋電流相比較，模糊計(jì)算后得SPWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)確定逆變器上、下橋臂的導(dǎo)通和關(guān)斷。

圖5 永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

3.1 電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中選用電壓型變頻器，其中整流器選用二極管組成的三相不可控整流器（經(jīng)計(jì)算選用50 A，1200V整流二極管模塊），逆變器選用電力電子器件組成的三相逆變橋，電力電子器件選用IGBT（經(jīng)計(jì)算選用50 A，1 000 V功率開關(guān)元件模塊），其IGBT的驅(qū)動(dòng)采用器件M57963L，逆變器采用PWM控制，如圖6所示。

圖6 PWM控制的電壓型變頻器電路連接圖

（1）整流二極管的選擇。

a.確定電壓額定值URRM。

整流二極管的耐壓按式（4）確定，根據(jù)電網(wǎng)電壓，考慮其峰值、波動(dòng)、閃電雷擊等因素，取波動(dòng)系

數(shù)為1.1，安全系數(shù)α=2。

b.確定電流額定值。

整流二極管額定電流按式（5）確定。

式中IR為沖擊電流值為電動(dòng)機(jī)額定電流；α為安全系數(shù)，常取α=2。

根據(jù)二極管的等級(jí)，實(shí)取50 A/1 200 V。

（2）IGBT模塊選擇。

a.確定電壓額定值UCEP。

選擇IGBT與選擇整流二極管的最大不同是，整流二極管的輸入端直接與電網(wǎng)相連，電網(wǎng)易受到外界的干擾，特別是雷電干擾，因此，安全系數(shù)α較大；而IGBT位于逆變橋上，其輸入端常與電力電容并聯(lián)，起到了緩沖波動(dòng)與干擾的作用，因此，安全系數(shù)不必取得很大。假定電網(wǎng)電壓為380 V，平波后的直流電壓由式（6）確定，式中1.1為波動(dòng)系數(shù)，一般取安全系數(shù)α=1.1。

關(guān)斷時(shí)的峰值電壓按式（7）計(jì)算

式中1.15為過電壓保護(hù)系數(shù)；α為安全系數(shù)，一般取1.1；150為由Ldi/dt引起的尖峰電壓。

令UCEP≥UCESP，并向上靠攏IGBT的實(shí)際電壓等級(jí)，取UCEP=1 000 V。

b.確定電流額定值IC。

設(shè)電網(wǎng)電壓Uin為380 V，負(fù)載功率為5.5 kW，變換器容量為6.5 kVA?？傻霉β省㈦妷汉碗娏魇街蠵為變頻器容量；U0、I0為變頻器輸出電壓、電流；0.9為電網(wǎng)電壓向下的波動(dòng)系數(shù)為I0的峰值；1.5為容許1 min過載容量；1.4為IC減小系數(shù)。因?yàn)镮GBT器件手冊(cè)上給出的IC是在結(jié)溫Tj= 25℃的條件下，在實(shí)際工作時(shí)，由于熱損耗，Tj總要升高，IC的實(shí)際容許值將下降（1/1.4→70％）。

由式（8）、式（9）、式（10）可求出

根據(jù)IGBT的等級(jí)，實(shí)取50 A，即50 A/1 000 V。

（3）電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。

GIA-Vt電流傳感器是交流電流傳感器，測(cè)量范圍為交流電流0～10A，輸出跟蹤電壓Vt為0～5V。在本設(shè)計(jì)中將使用三個(gè)GIA-Vt分別檢測(cè)永磁同步電動(dòng)機(jī)的A、B、C三相電流信號(hào)。

選擇電流跟蹤控制PWM脈寬調(diào)制方式。電流跟蹤控制PWM方法是一種滯后瞬時(shí)電流控制，采用滯環(huán)比較的電流自動(dòng)跟蹤技術(shù)，其原理和波形如7所示。滯環(huán)比較器A的輸入信號(hào)為基準(zhǔn)正弦波電流指令信號(hào)i1*與實(shí)際瞬時(shí)電流之差值。輸出為控制逆變器上、下橋臂開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在正弦波指令電流上下設(shè)定區(qū)域上限和區(qū)域下限，當(dāng)實(shí)際電流上升超出上限時(shí)，逆變器由原來對(duì)應(yīng)相上橋臂開關(guān)管導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通，使輸出電壓從+Ud/2轉(zhuǎn)換到-Ud/2，與電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)共同作用，使實(shí)際電流衰減；當(dāng)實(shí)際電流下降到低于下限時(shí)，輸出電壓又從-Ud/2翻轉(zhuǎn)到+Ud/2，使電流上升。如此通過上、下橋臂開關(guān)管的輪流導(dǎo)通，即形成PWM電壓波形。

圖7 電流跟蹤控制PWM波形

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)際電路中當(dāng)PWM信號(hào)從低變高時(shí)，設(shè)計(jì)了延時(shí)電路使上升沿延遲了一定的時(shí)間，從而保證同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)器件，先關(guān)斷一個(gè)，再觸發(fā)導(dǎo)通另一個(gè)，避免了上、下橋臂兩個(gè)開關(guān)器件的直通。

圖8和圖9是模糊控制與傳統(tǒng)控制的PI控制-突增轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)波形，可以看出：突增轉(zhuǎn)速后，兩種PI控制下的轉(zhuǎn)速都能快速地跟蹤新給定值380 r/min，經(jīng)過短暫的調(diào)整時(shí)間后都能穩(wěn)定在給定值380 r/min附近。而模糊PI控制下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線平滑，傳統(tǒng)PI控制下的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線存在震蕩。因此，傳統(tǒng)PI控制下的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波動(dòng)較大，而模糊PI控制下的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)相對(duì)比較平緩。

圖8 傳統(tǒng)PI控制-突增轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖9 模糊PI控制-突增轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

4 結(jié)論

模糊PI控制永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用了轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的閉環(huán)控制，利用PWM信號(hào)發(fā)生器給電力電子器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。這使同步電動(dòng)機(jī)克服了自身的弱點(diǎn)，是一種值得推廣的交流調(diào)速系統(tǒng)?；贛atlab/Simulink的仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。本研究研制了一臺(tái)樣機(jī)，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、電壓電流信號(hào)的采集，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流模糊控制算法，坐標(biāo)變換及三相參考電流信號(hào)、SPWM信號(hào)的產(chǎn)生，以及系統(tǒng)保護(hù)、顯示等任務(wù)。驗(yàn)證了模糊PI控制方法控制永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)相對(duì)比較平緩。本研究對(duì)電焊機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)響應(yīng)具有一定的參考價(jià)值。

[1]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]陳國呈.新型電力電子變換技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004.

[4]洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

Analysis of PMSM variable frequency speed regulation system

QIAO Zhiyong1，HE Yanshan2
（1.Information Engineering Department of Mianyang Vocational and Technical College，Mianyang 621000，China；2.The Automation college，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

For the different variable frequency speed regulation characteristics of permanent magnet synchronous motor（PMSM）and squirrel-cage three-phase asynchronous motor.The fuzzy PI control method is introduced based on fuzzy control theory to control the PMSM in the traditional vector control system.The fuzzy PI control model is designed in the Matlab/Simulink.Simulation results show that the rotating magnetic field is built faster than the three-phase asynchronous motor,fast dynamic response and real-time overshoot suppression.Therefore，the PMSM control method of fuzzy PI control has more advantages.A prototype with motor speed given signal，rotor position signal，acquisition of voltage and current signal is studied.The task of speed and current double-loop control algorithm，coordinate transformation and three-phase reference current signal，generation of the PWM signal，system protection and display are realized.The experiment validates the control of PMSM，fuzzy PI control torque response is more flat than the conventional PI control torque response.

permanent magnet synchronous motor(PMSM)；fuzzy system；PI control；torque response

TG434.1

A

1001-2303（2015）08-0134-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.29

2015-08-26

喬之勇（1978—），男，四川綿陽人，講師，碩士，主要從事工業(yè)自動(dòng)控制、電氣工程及職能建筑的研究。