永磁同步電動機變頻調速的分析

喬之勇，何彥杉

（1.綿陽職業技術學院信息工程系，四川綿陽621000；2.華南理工大學自動化學院，廣東廣州510640）

永磁同步電動機變頻調速的分析

喬之勇1，何彥杉2

（1.綿陽職業技術學院信息工程系，四川綿陽621000；2.華南理工大學自動化學院，廣東廣州510640）

針對永磁同步電動機與鼠龍式三相異步電動機變頻調速的不同特點，本研究在傳統的矢量控制系統中引入了模糊PI控制方法，利用模糊控制理論控制永磁同步電動機。在Matlab/Simulink仿真軟件中設計了模糊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機能更快地建立起旋轉磁場，同時動態響應快，能實時抑制超調量，因此，采用模糊PI控制方法控制永磁同步電動機更具優越性。研制了一臺樣機，完成電機轉速給定信號、轉子位置信號、電壓電流信號的采集，實現轉速、電流雙閉環控制算法，坐標變換及三相電流參考信號、PWM信號的產生，以及系統保護、顯示等任務。驗證了控制永磁同步電動機時，模糊PI控制下的轉矩響應相比傳統PI控制下的轉矩響應更平緩。

永磁同步電動機；模糊系統；PI控制；轉矩響應

0 前言

永磁同步電動機結構簡單、體積小、質量輕、損耗小、效率和功率因數高，力矩慣量大，定子電流和定子電阻損耗小，且轉子參數可測、控制性能好，既沒有直流電機的換向器和電刷，也不需要異步電動機無功勵磁電流[1]。同步電動機歷來是以轉速與電源頻率嚴格保持同步而著稱，只要電源頻率保持恒定，同步電動機在額定輸出功率內負載變化，其轉速保持不變。隨著電力電子技術和計算機控制技術的發展，永磁同步電動機矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制[2-3]，因此可以有效代替直流電機。

由于永磁同步電動機的轉子磁鋼的幾何形狀不同，使轉子磁場在空間的分布呈正弦波和梯形波兩種。因此，當轉子旋轉時，在定子上產生的反電動勢波形也有兩種（正弦波、梯形波）。習慣上把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統稱為正弦型永磁同步電動機（PMSM）調速系統；而梯形波（方波）永磁同步電動機組成的調速系統，在原理和控制方法上與直流電動機系統類似，故稱這種系統為無刷直流電動機（BLDCM）調速系統。永磁同步電動機轉子磁路結構不同，則電動機的運行特性、控制系統等也不同。

1 同步電機模糊控制

模糊PI控制器的模糊規則是根據經驗知識總結而來，要求使用者具有熟練的PI調節經驗才能確立正確的調整規則，圖1是模糊PI控制器的結構框圖。

圖1 模糊PI控制器的結構框圖

由圖1中可知，當采樣值與參考值比較后進行模糊系統處理的三個過程（模糊化、模糊推理和清晰化），最后計算出PI值得到六個開光管的觸發信號。下面分析這三個過程。

（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）映射到相應模糊集合的過程，如果已知e（t）∈[-emax，emax]，pe（t）∈[-demax，demax]，模糊論域為[-6，6]，可確定輸入變量的量化因子為

從式（1）中可知，對于任意誤差e（t）和pe（t）誤差變化率都可以利用式（1）將其映射到相應的模糊區間，從而實現從真值變量到模糊變量的映射，如圖2所示。

假設輸入變量量化后的值為x，若以模糊中心來表示相應的語言變量，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庫中的模糊規則決策出控制策略的過程。知識庫是模糊系統設計的核心部分，其模糊規則是一組來自于專家或基于該領域知識的模糊IF-THEN規則，直接影響模糊系統的控制性能。表1為λ的模糊規則。

表1 λ的模糊規則

本研究采用中心解模糊器來實現模糊輸出的清晰化過程，其中模糊輸出的隸屬度分布函數如圖3所示。

圖3 λ的隸屬度分布函數

圖3中的“S”、“MS”、“M”、“B”分別表示“小”、“較小”、“較大”、“大”的隸屬度分布。因此設計λ的隸屬度分布函數為

2 仿真分析

圖4為同步電機的轉矩響應曲線[4]，分析可知：在空載啟動過程，模糊PI控制產生的負向調整轉矩約為-2 N·m，而傳統負向調整轉矩約為-5 N·m。雖然在t=0.1 s后電磁轉矩進入穩定狀態，而模糊控制的波動比傳統控制小，同時低速空載穩定轉矩響應平穩。因此，模糊控制比傳統控制性能更加穩定，動態響應更快。

圖4 模糊PI控制和傳統PI控制的轉矩響應曲線

3 實驗驗證

為了驗證模糊控制的有效性，本系統采用了轉速和電流采樣閉環控制，如圖5所示。轉速環在閉環運行期間，單片機利用定時中斷定時對位置計數器采樣一次，得出轉子當前位置ε，從而確定三相給定電流的相位，由當前轉子位置與上次位置之差計算出轉子轉速，并根據給定的轉速信號確定指令電流，然后通過單片機給出三相指令電流信號，再經D/A轉換就獲得了定子三相指令電流的瞬時值[5]。再將指令電流與實際檢測到的三相反饋電流相比較，模糊計算后得SPWM信號，驅動確定逆變器上、下橋臂的導通和關斷。

圖5 永磁同步電動機變頻調速系統框圖

3.1 電路設計

設計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（經計算選用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（經計算選用50 A，1 000 V功率開關元件模塊），其IGBT的驅動采用器件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，根據電網電壓，考慮其峰值、波動、閃電雷擊等因素，取波動系

數為1.1，安全系數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機額定電流；α為安全系數，常取α=2。

根據二極管的等級，實取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相連，電網易受到外界的干擾，特別是雷電干擾，因此，安全系數α較大；而IGBT位于逆變橋上，其輸入端常與電力電容并聯，起到了緩沖波動與干擾的作用，因此，安全系數不必取得很大。假定電網電壓為380 V，平波后的直流電壓由式（6）確定，式中1.1為波動系數，一般取安全系數α=1.1。

關斷時的峰值電壓按式（7）計算

式中1.15為過電壓保護系數；α為安全系數，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的實際電壓等級，取UCEP=1 000 V。

b.確定電流額定值IC。

設電網電壓Uin為380 V，負載功率為5.5 kW，變換器容量為6.5 kVA。可得功率、電壓和電流式中P為變頻器容量；U0、I0為變頻器輸出電壓、電流；0.9為電網電壓向下的波動系數為I0的峰值；1.5為容許1 min過載容量；1.4為IC減小系數。因為IGBT器件手冊上給出的IC是在結溫Tj= 25℃的條件下，在實際工作時，由于熱損耗，Tj總要升高，IC的實際容許值將下降（1/1.4→70％）。

由式（8）、式（9）、式（10）可求出

根據IGBT的等級，實取50 A，即50 A/1 000 V。

（3）電流檢測電路設計。

GIA-Vt電流傳感器是交流電流傳感器，測量范圍為交流電流0～10A，輸出跟蹤電壓Vt為0～5V。在本設計中將使用三個GIA-Vt分別檢測永磁同步電動機的A、B、C三相電流信號。

選擇電流跟蹤控制PWM脈寬調制方式。電流跟蹤控制PWM方法是一種滯后瞬時電流控制，采用滯環比較的電流自動跟蹤技術，其原理和波形如7所示。滯環比較器A的輸入信號為基準正弦波電流指令信號i1*與實際瞬時電流之差值。輸出為控制逆變器上、下橋臂開關管的驅動信號。在正弦波指令電流上下設定區域上限和區域下限，當實際電流上升超出上限時，逆變器由原來對應相上橋臂開關管導通轉換為下橋臂開關管導通，使輸出電壓從+Ud/2轉換到-Ud/2，與電動機反電動勢共同作用，使實際電流衰減；當實際電流下降到低于下限時，輸出電壓又從-Ud/2翻轉到+Ud/2，使電流上升。如此通過上、下橋臂開關管的輪流導通，即形成PWM電壓波形。

圖7 電流跟蹤控制PWM波形

3.2 實驗分析

實際電路中當PWM信號從低變高時，設計了延時電路使上升沿延遲了一定的時間，從而保證同一橋臂的兩個開關器件，先關斷一個，再觸發導通另一個，避免了上、下橋臂兩個開關器件的直通。

圖8和圖9是模糊控制與傳統控制的PI控制-突增轉速的轉速響應曲線實驗波形，可以看出：突增轉速后，兩種PI控制下的轉速都能快速地跟蹤新給定值380 r/min，經過短暫的調整時間后都能穩定在給定值380 r/min附近。而模糊PI控制下的轉速響應曲線平滑，傳統PI控制下的轉速響應曲線存在震蕩。因此，傳統PI控制下的轉矩響應波動較大，而模糊PI控制下的轉矩響應相對比較平緩。

圖8 傳統PI控制-突增轉速的轉速響應曲線

圖9 模糊PI控制-突增轉速的轉速響應曲線

4 結論

模糊PI控制永磁同步電動機變頻調速系統，采用了轉速環和電流環的閉環控制，利用PWM信號發生器給電力電子器件提供驅動信號，實現變頻調速。這使同步電動機克服了自身的弱點，是一種值得推廣的交流調速系統。基于Matlab/Simulink的仿真結果表明，系統具有良好的靜、動態性能。本研究研制了一臺樣機，完成電機轉速給定信號、轉子位置信號、電壓電流信號的采集，實現轉速、電流模糊控制算法，坐標變換及三相參考電流信號、SPWM信號的產生，以及系統保護、顯示等任務。驗證了模糊PI控制方法控制永磁同步電動機轉矩響應相對比較平緩。本研究對電焊機控制系統的穩定性和實時響應具有一定的參考價值。

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]王兆安.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]陳國呈.新型電力電子變換技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

[4]洪乃剛.電力電子和電力拖動自動控制系統的MATLAB仿真[M].北京：機械工業出版社，2006.

[5]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，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，主要從事工業自動控制、電氣工程及職能建筑的研究。