永磁同步電機(jī)3種速度調(diào)節(jié)方式的比較

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

永磁同步電機(jī)3種速度調(diào)節(jié)方式的比較

羅成，黃海波，梅建偉，陳宇峰，車(chē)凱，簡(jiǎn)煒

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

針對(duì)傳統(tǒng)PID控制下的永磁同步電機(jī)響應(yīng)速度慢和穩(wěn)態(tài)性能差的問(wèn)題，對(duì)分段PI調(diào)節(jié)、模糊PI控制與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從仿真結(jié)果可以看出：分段PI調(diào)節(jié)和模糊PI控制使永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾能力得到提高，增強(qiáng)了魯棒性。

永磁同步電機(jī)；PID；仿真

20世紀(jì)70年代西門(mén)子工程師F.Blaschke首先提出異步電機(jī)矢量控制理論來(lái)解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題［1］。文中采用空間矢量控制和轉(zhuǎn)速外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，使電機(jī)能迅速達(dá)到指定轉(zhuǎn)速并保持穩(wěn)定。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，如果PI控制器參數(shù)設(shè)置不當(dāng)將直接影響控制系統(tǒng)的性能［2］。傳統(tǒng)PID控制算法雖然能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速起到一定的調(diào)節(jié)作用，但抗干擾能力和動(dòng)態(tài)性能改善效果不明顯。1965年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Zadeh教授提出模糊系統(tǒng)理論［3］，模糊控制被廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域。文中采用分段PI調(diào)節(jié)和模糊PI調(diào)節(jié)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

1 分段PI控制

PID控制器是一種線性控制器，原理如圖1所示，根據(jù)給定值rin（t）與實(shí)際輸出值yout（t）構(gòu)成控制偏差：

圖1 PID控制原理框圖

PID的控制規(guī)律為

式中：kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速PI控制環(huán)和電流PI控制環(huán)雖然可以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，但因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)屬于非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，在實(shí)際調(diào)速過(guò)程中受外界因素干擾影響大，電機(jī)轉(zhuǎn)速是動(dòng)態(tài)變化的，因此如果使用單一PI參數(shù)進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，未必能對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)施精確有效的控制［4］。通過(guò)分段式PI調(diào)節(jié)器可以有效改善電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)特性。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的限制，本次研究只對(duì)轉(zhuǎn)速1 000 r·min-1的低轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究。仿真所用電機(jī)參數(shù)如表1所示，通過(guò)搭建電機(jī)仿真模型，多次仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在此電機(jī)參數(shù)下，轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1時(shí)所得到的PI參數(shù)在轉(zhuǎn)速為200 r·min-1的時(shí)候轉(zhuǎn)速曲線波動(dòng)大，且不穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法得到一組新的PI參數(shù)適用于轉(zhuǎn)速為200 r·min-1的情況。分段可以對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)更精確的控制，但是分段太細(xì)會(huì)增加計(jì)算量，綜合考慮，以200 r為一段比較合適。分段式PI調(diào)節(jié)器模型如圖2所示。以給定的轉(zhuǎn)速為參考，通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇，切換到合適的PI參數(shù)值。表2為分段PI控制各環(huán)PI參數(shù)。

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)

圖2 分段式PI調(diào)節(jié)器模型

表2 分段PI控制各環(huán)PI參數(shù)

電機(jī)的狀態(tài)方程為

式中：RS為電機(jī)定子相電阻；LS為電機(jī)定子相電阻電感；iα,iβ,vα,vβ為定子兩相靜止坐標(biāo)系定子繞組電流和電壓；λr為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；ωr為轉(zhuǎn)子速度；Np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的PI控制器。

2 模糊PI控制

模糊控制作為智能控制的重要分支，其控制策略簡(jiǎn)單并且控制效果好［5］。模糊控制技術(shù)是以模糊數(shù)學(xué)知識(shí)作為其理論基礎(chǔ)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)與經(jīng)典控制理論等技術(shù)基礎(chǔ)而形成的一種先進(jìn)智能控制方法。模糊控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 模糊控制系統(tǒng)框圖

在進(jìn)行模糊控制時(shí)需要制定相應(yīng)的模糊控制規(guī)則表，表3即永磁同步電機(jī)仿真所用到的模糊控制規(guī)則表。E、EC和U分別為模糊集合。

通過(guò)表3的模糊控制規(guī)則可知，可以寫(xiě)成

共計(jì)49條規(guī)則。E采用高斯隸屬函數(shù)；基本論域?yàn)椋?6，+6］，EC采用高斯隸屬函數(shù)；基本論域?yàn)椋?1000，+1000］，U采用三角形隸屬函數(shù)；基本論域?yàn)椋?50，+50］。

圖4 a是模糊控制器仿真結(jié)構(gòu)圖。雖然模糊控制相對(duì)于傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)有一定優(yōu)勢(shì)，但在控制穩(wěn)態(tài)誤差方面效果不好，單純模糊控制沒(méi)有加入積分模塊。如圖4 b所示為改進(jìn)后的模糊PI調(diào)節(jié)器，增加了積分模塊，在仿真實(shí)驗(yàn)中將轉(zhuǎn)速環(huán)采用模糊PI調(diào)節(jié)，采用模糊PI調(diào)節(jié)器仿真結(jié)構(gòu)（圖4 b）。觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速，有效地抑制電機(jī)起步時(shí)的超調(diào)［6］，并且增強(qiáng)了魯棒性，達(dá)到調(diào)節(jié)目的，因此電流環(huán)采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)。

圖4 控制器仿真結(jié)構(gòu)圖

圖5 不同控制、不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖

表3 模糊控制規(guī)則表

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 分段PI調(diào)節(jié)仿真波形

分段PI控制下給定轉(zhuǎn)速為200 r·min-1和1000r·min-1所得到的轉(zhuǎn)速圖像如圖5a～b所示。通過(guò)分段PI調(diào)節(jié)，電機(jī)在低轉(zhuǎn)速200r·min-1和高轉(zhuǎn)速1000r·min-1下都能較快地響應(yīng)，只需要0.01s便可達(dá)到指定轉(zhuǎn)速，響應(yīng)速度較快，且到達(dá)指定轉(zhuǎn)速后沒(méi)有超調(diào)，穩(wěn)定以后轉(zhuǎn)速幾乎沒(méi)有波動(dòng)，穩(wěn)定性較好。轉(zhuǎn)速為200r·min-1時(shí)用轉(zhuǎn)速為1000r·min-1的PID參數(shù)所得波形見(jiàn)圖5c，轉(zhuǎn)速為1000r·min-1時(shí)用轉(zhuǎn)速為200r·min-1的PID參數(shù)所得的波形如圖5d所示，根據(jù)轉(zhuǎn)速曲線可看出轉(zhuǎn)速并不穩(wěn)定。

3.2 模糊PI調(diào)節(jié)仿真波形

圖6是在傳統(tǒng)PI控制和模糊PI控制所得轉(zhuǎn)速波形，對(duì)比可看出：在給定轉(zhuǎn)速都為1 000 r·min-1的情況下，傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)存在超調(diào)，且在0.05 s時(shí)，電機(jī)突然加負(fù)載到2 N·m，傳統(tǒng)PID控制調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，但通過(guò)模糊化處理后的PI控制在電機(jī)起始過(guò)程開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)得到了有效的抑制，響應(yīng)速度較快，到達(dá)指定轉(zhuǎn)速不到0.01 s，且在0.05 s時(shí)突然加載，電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)渡平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速較快恢復(fù)平穩(wěn)，抗干擾性好，魯棒性好。

圖6 不同控制所得轉(zhuǎn)速波形圖

4 結(jié)論

文中分析了在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建的PMSM空間矢量脈寬調(diào)制模型，對(duì)于采用了雙閉環(huán)控制和工業(yè)控制上常用的PID算法進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，提出了更加優(yōu)化的分段PI調(diào)節(jié)算法和模糊PI調(diào)節(jié)算法，仿真結(jié)果分析表明：2種改進(jìn)控制使得電機(jī)的響應(yīng)速度較快，魯棒性和抗干擾性增強(qiáng)，穩(wěn)定性較好。

［1］矢量控制理論介紹［J］.變頻器世界，2006（5）：94-94.

［2］王莉娜，朱鴻悅，楊宗軍.永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)PI控制器參數(shù)整定方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（5）：104-117.

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Comparison of Three Kinds of Speed Modulation Modes of Permanent Magnet Synchronous Motor

Luo Cheng,Huang Haibo,Mei Jianwei,Chen Yufeng,Che Kai,Jian Wei
（School of Electrical&Information Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

Aiming at the problem of slow response and poor steady-state performance of the PMSM un?der the traditional PI control,comparative experiments on the piecewise PI controller,the fuzzy PI con?troller and the traditional PID controller were carried out.From the results of simulation,the piecewise PI controller and the fuzzy PI controller can improve the anti-interference ability and robustness of the PMSM control system.

PMSM；PID；simulation

TM341

A

1008-5483（2017）04-0071-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.04.016

2017-09-02

湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAA049）；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014CFB378）；

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（D20171802）

羅成（1994-），男，湖北武漢人，碩士生，從事節(jié)能與新能源汽車(chē)方面的研究。E-mail：49578434@qq.com

簡(jiǎn)煒（1961-），男，湖北丹江口人，教授，博士，從事系統(tǒng)工程研究。E-mail：19850036@huat.edu.cn