基于矢量變換以及模糊PI控制的永磁同步電機 控制系統(tǒng)研究

于淼

摘? 要：為了解決永磁同步電機在復(fù)雜環(huán)境下轉(zhuǎn)矩脈動大，轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度慢的問題，根據(jù)永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了一種模糊PI控制系統(tǒng)，并采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的矢量變換控制方法驅(qū)動永磁同步電機。經(jīng)分析仿真實驗結(jié)果可知：該控制系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)PI控制器存在的轉(zhuǎn)速超調(diào)量大;轉(zhuǎn)速響應(yīng)慢;轉(zhuǎn)矩脈動大等問題，有良好的動靜態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機;模糊PI;矢量變換;轉(zhuǎn)矩脈動

中圖分類號：TM341? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）06-0030-03

1 概述

永磁同步電機憑借其自身體積小，調(diào)速范圍廣，抗干擾能力強，高效率等優(yōu)點被人類廣泛應(yīng)用于新能源領(lǐng)域，但因永磁同步電機數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，其控制方法一直是一個難點。傳統(tǒng)PI控制系統(tǒng)雖然在一定程度上可控制永磁同步電機，但存在轉(zhuǎn)速控制效果精度低，轉(zhuǎn)矩脈動大等問題，大大的限制了永磁同步電機的應(yīng)用。文獻[1]設(shè)計了一種永磁同步電機模糊控制系統(tǒng)，并制定了完整的模糊控制規(guī)則，解決了常規(guī)PID控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，但轉(zhuǎn)速響應(yīng)不明顯;文獻[2]搭建了一種模糊PI控制系統(tǒng)，增強了控制系統(tǒng)的魯棒性，但轉(zhuǎn)矩脈動較大;文獻[3]設(shè)計了永磁同步電機轉(zhuǎn)速伺服系統(tǒng)魯棒控制器，達到了良好的電機控制效果，但轉(zhuǎn)速響應(yīng)不足;文獻[4]建立了永磁同步電機模糊PID 參數(shù)自整定控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可自行調(diào)整PID參數(shù)，提高了控制系統(tǒng)的靈活性，但轉(zhuǎn)速控制精度較低。

本文提出了一種基于矢量變換以及模糊PI控制的永磁同步電機控制系統(tǒng)，設(shè)計了模糊PI控制系統(tǒng)，并采用電流環(huán)+轉(zhuǎn)速環(huán)的雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，并通過matlab/simulink進行了仿真分析，并與傳統(tǒng)PI控制系統(tǒng)的實驗結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)有效的提高了永磁同步電機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，降低了轉(zhuǎn)矩脈動。

2 永磁同步電機數(shù)學(xué)模型分析

在分析永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的過程中，忽略鐵芯飽和現(xiàn)象;忽略電機繞組漏感;轉(zhuǎn)子繞組無阻尼;不計渦流和磁滯損耗;忽略磁場的高次諧波;定子繞組的電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢。永磁同步電機在d-q坐標系的數(shù)學(xué)模型如下。

3 矢量變換以及模糊PI控制系統(tǒng)

3.1 模糊PI控制的原理及結(jié)構(gòu)

模糊PI控制是依據(jù)模糊集合思想、模糊邏輯以及模糊語言，將實際結(jié)果轉(zhuǎn)化為機器指令，從而實現(xiàn)智能控制。模糊控制器由四部分組成，其中模糊化輸入量的過程是將轉(zhuǎn)速偏差e與轉(zhuǎn)速偏差變化率轉(zhuǎn)換到論域，實現(xiàn)輸入量模糊化;數(shù)據(jù)庫則是給予處理模糊數(shù)據(jù)的方式并交代控制規(guī)則，采用“if-then”語句描述模糊控制規(guī)則，模糊規(guī)則決定了控制器的性能;模糊推理是根據(jù)模糊控制規(guī)則來獲得合適的調(diào)節(jié)量;去模糊化則是將模糊推理得到的調(diào)節(jié)量變成論域范圍內(nèi)的清晰量，再變化成實際的控制量，如圖1所示。

該控制系統(tǒng)根據(jù)充分的專家經(jīng)驗，將電機轉(zhuǎn)速偏差e與轉(zhuǎn)速偏差變化率ec作為模糊PI控制器的輸入PI參數(shù)Kp、Ki，根據(jù)不同的e與ec輸出不同的參數(shù)，達到實時調(diào)整PI參數(shù)的目的。這種在線修改PI參數(shù)的方法大大的提高了永磁同步電機的控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，提高系統(tǒng)靜態(tài)以及動態(tài)特性，提升控制效果，模糊PI控制系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 模糊規(guī)則的制定

模糊規(guī)則的好壞決定了模糊PI控制系統(tǒng)的性能，因此，制定精準的模糊規(guī)則是重中之重。在電流與轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)速環(huán)加入模糊控制器，根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差e與ec的大小，將e與ec模糊化處理，定義e和ec模糊子集為{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}對應(yīng){正大、正中、正小、零、負小、負中、負大}，處理完畢后將模糊子集映射到控制變量實際可取的取值范圍[-6，6]上，即論域[-6，6]。將模糊PI控制器輸出的參數(shù)Kp、Ki作為PI控制器的修正輸入量再次進入控制系統(tǒng)，定義其模糊子集為{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}對應(yīng){正大、正中、正小、零、負小、負中、負大}，經(jīng)過反模糊化處理后將其論域映射到[-6，6]上，得到其模糊規(guī)則，具體模糊規(guī)則如圖3、4。

4 仿真分析

為了驗證該控制系統(tǒng)對于永磁同步電機的控制效果，在matlab/simulink中分別搭建了模糊PI控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)PI控制系統(tǒng)，設(shè)置永磁同步電機的額定參數(shù)為：電機電阻R=2.875，交直軸定子電感均為0.0085H，電機轉(zhuǎn)動慣量J=0.0008kg·m2，電機極對數(shù)Pn=4。仿真時間設(shè)為0.1s，電機轉(zhuǎn)速為850r/s。系統(tǒng)啟動負載轉(zhuǎn)矩為100N·m。仿真結(jié)果如圖5～8所示。

通過圖5、6可見，模糊PI控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)明顯快于傳統(tǒng)PI控制，且可穩(wěn)定達到目標轉(zhuǎn)速850r/s并保持穩(wěn)定無波動;而傳統(tǒng)PI控制不能達到目標轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速波動明顯。

通過圖7、8可見，模糊PI控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動小且穩(wěn)定，而傳統(tǒng)PI控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動較大，抖動明顯。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于矢量變換及模糊PI控制的永磁同步電機控制系統(tǒng)，采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的矢量控制方法。仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠有效的提高永磁同步電機的轉(zhuǎn)速響應(yīng);降低了驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩脈動;具備一定的適應(yīng)性以及魯棒性;抗干擾能力強。為永磁同步電機的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

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