基于非正交坐標(biāo)系下模糊PI永磁同步電機(jī)的研究

摘 要： 為了提高礦用永磁同步電機(jī)的抗干擾能力，針對(duì)永磁同步電機(jī)逆變器中傳統(tǒng)SVPWM（電壓空間矢量）算法的缺陷性，采用非正交坐標(biāo)系下算法，與傳統(tǒng)SVPWM算法相比該方法簡(jiǎn)化了矢量算法步驟。速度外環(huán)采用模糊PI控制器，在線調(diào)整PI控制器中的參數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。通過(guò)Matlab/Simulink建立仿真模型，仿真結(jié)果表明非正交坐標(biāo)系下模糊PI永磁同步電機(jī)系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，具有良好的性能。

關(guān)鍵詞： 永磁同步電機(jī)； 逆變器； 非正交坐標(biāo)系； 模糊PI控制器

中圖分類號(hào)： TN919?34； TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）11?0164?04

Abstract： In order to improve the anti?interference ability of permanent magnet synchronous motor （PMSM）， and overcome the defects of the traditional space vector pulse width modulation （SVPWM） algorithm applied to PMSM inverter， the algorithm based on non?orthogonal coordinate system is adopted. In comparison with the traditional SVPWM algorithm， the steps of the proposed algorithm are simplified. The fuzzy PI controller adopted by the outer loop to control the speed is used to adjust the para?meters in PI controller and improve the system robustness. The simulation model was established by means of Matlab/Simulink. The simulation results show that the PMSM system with fuzzy PI controller based on non?orthogonal coordinate system has superior stability and anti?interference ability， and good performance.

Keywords： permanent magnet synchronous motor； inverter； non?orthogonal coordinate system； fuzzy PI controller

0 引 言

永磁同步電機(jī)（PMSM）以其高效率、高功率密度、體積小等優(yōu)點(diǎn)在傳動(dòng)系統(tǒng)中已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)[1?2]。目前應(yīng)用最廣泛的仍然是傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制方式。但這種傳統(tǒng)控制方式依賴于系統(tǒng)的精確模型，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生參數(shù)改變或不確定因素時(shí)，雙閉環(huán)控制方式難以滿足系統(tǒng)期望的性能，抗干擾能力較差，因此獲得新的控制方式一直是研究的熱點(diǎn)。

矢量控制方式是PMSM常用的驅(qū)動(dòng)方式，但傳統(tǒng)SVPWM算法涉及到坐標(biāo)變換，以及大量的三角函數(shù)計(jì)算，其算法復(fù)雜、運(yùn)算量大。非正交坐標(biāo)系下的SVPWM算法減少了三角函數(shù)的運(yùn)算，化簡(jiǎn)了算法步驟，對(duì)微處理器的要求低[3]。PMSM在運(yùn)行過(guò)程中PMSM本身強(qiáng)耦合、非線性的特點(diǎn)使傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制方式難以滿足要求[4?5]。智能控制是一種無(wú)需或盡可能減少人為干預(yù)使系統(tǒng)能夠獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)控制，用來(lái)解決傳統(tǒng)控制難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制方式[6]。智能控制包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)測(cè)控制等[7]。本文采用模糊控制將速度外環(huán)改為模糊PI控制，實(shí)時(shí)控制PI控制器的兩個(gè)參數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。

本文采用非正交坐標(biāo)系下的矢量控制方式，并將PMSM傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制中的外環(huán)改為模糊PI控制方式，應(yīng)用模糊控制理論控制器在線調(diào)整PI調(diào)節(jié)器的比例積分系數(shù)，使PMSM具有更強(qiáng)的抗干擾能力和魯棒性。最后通過(guò)仿真證明了該方法的正確性。

1 永磁同步電機(jī)的PMSM的數(shù)學(xué)模型

式中：表示軸和軸的定子電壓；表示軸和軸的定子電流；表示定子電阻；表示轉(zhuǎn)子磁鏈；表示微分算子；為轉(zhuǎn)子角頻率；表示軸和軸的定子磁鏈；表示電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；表示磁極對(duì)數(shù)；和分別表示為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦及風(fēng)阻力矩系數(shù)。

圖1所示為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，速度外環(huán)不再采用常規(guī)的PI控制器，而是改為模糊PI控制器，達(dá)到在線調(diào)整PI參數(shù)的目的。逆變器部分采用非正交SVPWM方法，化簡(jiǎn)算法步驟，整體上提高系統(tǒng)性能。

2 非正交坐標(biāo)系下SVPWM算法

非正交坐標(biāo)系下的SVPWM算法是將直角α?β坐標(biāo)系變換為p?q 60°斜角坐標(biāo)系。在該坐標(biāo)系下，6個(gè)非零矢量全部在p?q坐標(biāo)系中，從而可以避免大量的三角函數(shù)運(yùn)算。

根據(jù)的正負(fù)關(guān)系輸出的扇區(qū)波形。按照所處扇區(qū)的位置進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算即可得到在相關(guān)坐標(biāo)系下的投影值，進(jìn)而可以計(jì)算出非零矢量的作用時(shí)間。其零矢量時(shí)間的分配和基本作用矢量的作用順序與傳統(tǒng)SVPWM算法完全相同。與傳統(tǒng)SVPWM算法相對(duì)比，該方法運(yùn)算速度大大提高。

3 模糊PI控制器

6 結(jié) 論

本文將永磁同步電機(jī)逆變器環(huán)節(jié)采用非正交SVPWM算法，簡(jiǎn)化了矢量控制算法。速度外環(huán)采用模糊PI控制，通過(guò)模糊控制器在線調(diào)整PI控制器中的兩個(gè)參數(shù)，提高PMSM的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。最后通過(guò)仿真證明，模糊PI非正交矢量控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗擾性和魯棒性。因此本文可以為永磁同步電機(jī)的研究提供參考依據(jù)。

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