永磁同步電機的復合控制及參數(shù)自整定研究

于青龍

杭州微光電子股份有限公司 浙江杭州 311100

永磁同步電機作為新的驅(qū)動方式得到迅速發(fā)展，以高轉(zhuǎn)速、高效率、運行穩(wěn)定、結構小型化等優(yōu)點應用于市場，特別是新能源汽車廣泛使用永磁同步電機。

1 研究概述

永磁同步電動機（PMSM）因具有發(fā)熱小、響應快、啟動轉(zhuǎn)矩大、功率因數(shù)高等優(yōu)點，被很多交流伺服系統(tǒng)作為動力源。PID控制器算法實現(xiàn)簡單、應用范圍廣。但在高精度高、加速度應用領域，需要對普通PID算法進行改進。河海大學的戴衛(wèi)力等人針對永磁同步電機傳統(tǒng)三環(huán)控制，采用結合變結構控制和前饋控制的復合控制策略，提高了響應速度和定位精度；范宇恒、李培林等人針對泵控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)以及負載擾動的問題，提出了一種利用優(yōu)化后增量式PID與前饋結合的復合控制結構，提高了系統(tǒng)的調(diào)速能力以及魯棒性。神經(jīng)網(wǎng)絡因具有很好的逼近非線性映射能力，較強的魯棒性，在控制領域得到廣泛應用。徐杭東、麥云飛采用單神經(jīng)元PID自適應控制器，結合Hebb神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法，對電液位置伺服系統(tǒng)進行了控制，實現(xiàn)了PID參數(shù)的在線調(diào)整，系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性好、動態(tài)精度高；FREIREEO等提出了一種適用于非線性動力學的多輸入多輸出自適應神經(jīng)元PID（AN-PID）控制器，修正了由于機器臂動力學的不確定性和變化而導致的跟蹤誤差，并通過實驗驗證了該控制策略的魯棒性和自適應能力；韓國的CHOCN等人提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制器參數(shù)更新算法，有效降低了輪廓誤差和跟蹤誤差，提高了加工質(zhì)量和效率；日本的KENTOK等人針對非線性系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡設計了非線性PID控制器，在線整定PID參數(shù)，并通過仿真和實驗驗證了該控制器的可行性[1]。

2 參數(shù)辨識整體方案

利用輸入激勵信號電壓值和輸出電流采樣值，基于遞推最小二乘法可以得到電機的定子電阻和電感。由于死區(qū)和功率器件壓降會導致實際施加到電機線圈上的電壓小于理論給定值，影響電機參數(shù)辨識的精度，因此需要對輸出電壓差值進行分析和補償。

采用階躍輸入電壓作為電機參數(shù)辨識的激勵信號，簡單易于實現(xiàn)，輸入和輸出數(shù)據(jù)能充分反映系統(tǒng)在各頻段的特性。在實際應用中，可以采用電機定子電流近似達到電機額定電流時的電壓值作為激勵信號的幅值。電機定子線圈的傳遞函數(shù)模型可近似為一階慣性環(huán)節(jié)。伺服系統(tǒng)實際上是一個以主控芯片中斷周期為步長的離散系統(tǒng)，在伺服驅(qū)動器控制中，由于無法直接產(chǎn)生恒定的直流電壓，實際上是通過SVPWM調(diào)制產(chǎn)生PWM波，施加在逆變器上產(chǎn)生脈沖電壓，進而在電機定子上獲得等效的直流電壓。由于電機的定子電阻值較小，給定的輸入電壓Uα較小，非線性因素帶來的電壓差值不能忽視，對輸出電壓進行準確的補償至關重要。在伺服系統(tǒng)中，逆變器的開關死區(qū)和IGBT的導通壓降是影響輸出電壓的2個主要因素。為了簡化仿真過程，在仿真中未進行激勵輸入電壓幅值搜索的過程，直接采用幅值合理的階躍電壓輸入，對應U相穩(wěn)態(tài)電流約為額定電流的1．25倍，對電機U相電流進行采樣，通過MatLab中的M文件，離線地利用遞推最小二乘法實現(xiàn)對電機參數(shù)的辨識。

3 PI-準PR對三相永磁同步電機控制系統(tǒng)研究

PMSM本身是具有很強的非線性和復雜的變量耦合關系，為了方便分析，這里用基于轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標d-q軸來進行分析處理。忽略其中的渦流損耗、磁滯損耗。利用傳統(tǒng)PI控制對外界干擾難以到很好的控制效果，如果采用模糊控制方法對PI參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，對非精確模型的情況很好的動態(tài)特性，

在外界復雜的環(huán)境造成干擾的情況下，能夠保持良好的穩(wěn)定性。所以在矢量控制中常被用來與傳統(tǒng)PI結合控制PMSM．矢量控制下PMSM的電流環(huán)的控制通常采用多次復雜的坐標變換結合PI控制方式來實現(xiàn)，

這種控制方式受限于電機固有的參數(shù)影響，一旦在實際運行過程中參數(shù)受外界干擾而產(chǎn)生變化時，它的控制性能就會下降，而采用準PR控制方法可以解決這種問題．這里采用模糊控制方法對PI參數(shù)進行相應的動態(tài)調(diào)整，提高系統(tǒng)的響應速度，優(yōu)化系統(tǒng)魯棒特性．在模糊PI控制的基礎上進一步采用準PR控制技術對PMSM進行控制，可以減少外部干擾，達到提高控制性能的目的。

圖1為模糊PI控制示意圖，由模糊化、模糊推理、反模糊化結合PI控制器4個部分組成．要先對所采集的信號進行模糊化處理，其次根據(jù)系統(tǒng)運行的特性構建模糊語句，來進行模糊推理，最后經(jīng)過反模糊化進行輸出控制。

圖1 模糊PI結構圖

第一步進行模糊化處理，需要確定模糊控制的隸屬度函數(shù)，必須要考慮不同時刻下e、ec兩個參數(shù)互相的聯(lián)系和影響．根據(jù)參數(shù)特性，取它們的模糊集合論域。

PR控制器又被稱為比例諧振控制器，對于PMSM的電流環(huán)的控制，采用PR控制器則可減弱參數(shù)受外界干擾而使性能下降的問題?；趥鹘y(tǒng)PI控制和只在速度環(huán)采用模糊PI控制所存在的計算量較復雜，抗干擾不明顯等缺點，本文采用模糊PI-準PR控制方法對優(yōu)化PMSM控制系統(tǒng)進行研究，仿真結果表明本文方法可以較好地改善這些問題，模糊PI控制和準PR控制兩種控制算法的優(yōu)點改善了系統(tǒng)的魯棒性，優(yōu)化了系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，同時電流環(huán)的準PR控制算法省去復雜的坐標系變換，易于實現(xiàn)[2]。

4 結語

研究了參數(shù)辨識技術，闡述了激勵信號幅值的確定方法，分析了死區(qū)和功率器件壓降對電機參數(shù)辨識的影響；提出了補償方法，基于遞推最小二乘法實現(xiàn)了對電機電阻和電感的辨識，計算量小，收斂速度快；通過仿真和試驗驗證了辨識算法的正確性[3-4]．