永磁同步電機傳動系統(tǒng)的非線性控制策略及其調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)

李凌杰，敬一立

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

永磁同步電機傳動系統(tǒng)的非線性控制策略及其調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)

李凌杰，敬一立

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

介紹了永磁同步電機傳動系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)控制。首先簡單分析了非線性控制策略，進而分析了電流返回解耦方式和SVPWM原理，設計雙閉環(huán)控制器，介紹系統(tǒng)軟硬件設計。實驗結果證實控制器設計的正確，空載條件下，穩(wěn)態(tài)時速度波動幅度不超過2 rpm，穩(wěn)定性良好；速度給定10 rpm時，穩(wěn)態(tài)誤差為1 rpm，系統(tǒng)低速運行效果良好。證明了電流返回解耦方式和SVPWM原理線性控制策略具有很好的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。

永磁同步電機傳動系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)非線性控制

0　引言

永磁同步電機控制系統(tǒng)包括速度和位置兩部分，傳動系統(tǒng)一般代表速度控制系統(tǒng)，近幾年來，隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，交流控制系統(tǒng)得到廣泛使用，精度和可靠性都有了很大的提高，永磁同步電機控制系統(tǒng)在多種領域受到廣泛使用，對于永磁同步電機控制系統(tǒng)而言，單一非線性方法僅僅針對某一問題，本文主要分析永磁同步電機傳動系統(tǒng)的幾類非線性控制策略和調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1　調(diào)速系統(tǒng)性能要求

電氣傳動在發(fā)展中廣泛應用于工業(yè)領域中，20世紀60年代以后，交流調(diào)速系統(tǒng)開始得到廣泛使用，交流電動機沒有換向機構，結構簡單、運行安全可靠，而且具有寬調(diào)速范圍、快速動態(tài)響應性能，能夠實現(xiàn)產(chǎn)品系列化。交流調(diào)速包括同步電動機調(diào)速和異步電動機調(diào)速，永久磁鐵勵磁同步電動機屬于同步電動類型，采用稀土材料，大大降低電動機體積和重量，維護方面，一般動率小于10 kW，性能超過了直流伺服裝置，能夠消除轉子損耗，但是保持恒功率調(diào)速比較困難。

交流調(diào)速系統(tǒng)朝著綠色化、網(wǎng)絡化發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化克服了電路功能單一性、控制精度不高等特點，控制靈活性更高。調(diào)速系統(tǒng)智能化更是發(fā)展的非?？欤顺Ｒ?guī)PID控制外，高性能智能控制器能夠實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)自檢測。網(wǎng)絡化發(fā)展能夠同時保持與上位機的聯(lián)系，設備控制和通訊更加方便，能夠進一步完善工業(yè)控制。交流調(diào)速系統(tǒng)綠色化便于各種PWM控制，能夠降低濾波電抗、電容，減少對電網(wǎng)的傷害。調(diào)速系統(tǒng)性能在設計中要求高精度、快響應、寬調(diào)速范圍。在速度控制中，要求調(diào)度精度高，盡可能減少靜態(tài)和動態(tài)速降，要求跟蹤信號指令信號相應快。除了滿足這幾點要求之外，電動機調(diào)速系統(tǒng)要求能夠在整個轉速中平滑運轉，盡可能減少轉矩波動，滿足低速大轉矩的要求，電動機要求盡可能減少轉動慣量，保證電動機能夠承受頻繁的啟動和反轉等動作。

2　永磁同步電機傳動系統(tǒng)非線性控制策略

永磁同步電機傳動系統(tǒng)控制包括矢量控制、直接轉矩控制、先進控制等。矢量控制是在1971年提出的一種理論，交流電機運行性能得到很大的提高，模仿電機控制方式，以轉子磁鏈作為參考坐標，將電子電流分解為兩個分量，然后分別對其進行獨立控制。采用質(zhì)量控制系統(tǒng)具有良好的轉矩效應，可實現(xiàn)全負載運行，但是在實際運用中發(fā)現(xiàn)想要進行坐標變換，運算量過大，對電機參數(shù)依賴性很大，控制效果不佳。

直接轉矩控制策略是繼矢量控制后提出的一種理論，摒棄了矢量控制的解耦思想，強調(diào)直接控制電機轉矩，因此該理論忽略了矢量轉換等計算，采用定子磁鏈定向方式，直接控制電機磁鏈和轉矩，這種控制策略簡單明了，方法簡單，但是會出現(xiàn)轉矩脈動問題。

先進控制策略是近些年不斷使用的控制理論，包括自適應、滑膜變結構控制、自抗擾控制等。自適應控制技術是在確定模型下修改系統(tǒng)運行程序以達到控制對象和條件的理論，在測量信號基礎上，在線估計不穩(wěn)定被控對象，并輸入?yún)?shù)估計值，當前所采用的自適應控制模型，多是這種理論。此方式能夠保值電機良好性能，但是計算量較大。滑膜變結構控制采用的是開關控制方法，控制不具有連續(xù)性，能夠根據(jù)調(diào)量的偏差控制系統(tǒng)運行，滑動模型可以設計，與參數(shù)無關，這種控制理論容易實現(xiàn)，但是存在抖振問題。無源控制從能量角度出發(fā)，配置系統(tǒng)能量消耗特性舞動分量，不會影響系統(tǒng)無功力穩(wěn)定性，這是一種比較穩(wěn)定的控制方法，但是存在很多不確定性，適應性不強，抗負載能力也不高。自抗擾控制能夠自行檢測并補償內(nèi)外擾動，計算量小，但是可調(diào)參數(shù)比較高，不容易實現(xiàn)。逆系統(tǒng)控制是近幾年提出的一種理論，設計理論比較完善，避免了對微分幾何理論的引入，但是系統(tǒng)參數(shù)隨工況變化較大。反步控制是一種比較新穎的控制策略，在設計中需要保證虛擬誤差方程指數(shù)收斂為零，算法簡單，能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，但是計算量很大，需要花費較長調(diào)整時間。

3　永磁同步電機無速度傳感器控制技術

永磁同步電機控制系統(tǒng)中，在轉子軸上需要安裝傳感器，但是會增加轉子軸轉動慣量，系統(tǒng)可靠性大大降低，應用場合也受到控制，因此無速度傳感器是為滿足這點而出現(xiàn)的，根據(jù)無傳感器 PMSM轉子位置自檢測方法在不同速度之間的結果，一般使用在中高速方法和低速方法中。中高速控制方法動態(tài)性能良好，但是對基波依賴性很高，低速控制方法利用電機凸級性實現(xiàn)轉子位置的跟蹤。

適合于中高速無速度傳感器的技術主要為磁鏈估計法，這種方法計算量少，簡單操作易實現(xiàn)，對電動機參數(shù)依賴性較大。適用于低速的方法是利用電機凸級效應檢測轉子磁位，如高頻電壓信號注入法，利用轉子凸級性，提出轉子的位置，無檢測滯后，但是需要注意高頻信號幅度大，干擾基波電量。

4　系統(tǒng)控制器設計

永磁同步電動機等效為雙閉環(huán)坐標直流電機，整個PMSM調(diào)速系統(tǒng)與雙閉環(huán)形式直流調(diào)速相似性很高，采用的理論模型為自適應理論模型的一種，在不改變環(huán)境情況下，給定性能指標變?yōu)閰⒖夹阅苤笜?，模型自適應速度很高。雙閉環(huán)控制結構件圖1所示，包括電流控制器、電流反饋和矢量控制算法三部分，電流反饋通過電流采樣電路進行坐標變換得到電流反饋量，輸出電流與反饋電量相同。速度環(huán)由速度控制器、速度反饋等組成，在反饋環(huán)節(jié)中，需要經(jīng)過速度計算環(huán)節(jié)得到當前轉速。

在推導四度控制器中，速度環(huán)截止頻率需要保持在電流環(huán)頻率的1/8左右，因此電流環(huán)環(huán)節(jié)可以看做為慣性環(huán)節(jié)，在不考慮負載轉矩和阻尼情況下等效為一階慣性環(huán)節(jié)，由于Tcf遠遠小于時間常數(shù)，可以進一步簡化速度環(huán)框圖，經(jīng)過PI串聯(lián)校正后，速度環(huán)為典型II型系統(tǒng)，根據(jù)電機和控制參數(shù)得到 Kps=0.76，在不考慮阻尼影響下，性能良好，只改變轉動慣量，就能夠得到很好的控制效果。

5　系統(tǒng)軟硬件設計和實驗

系統(tǒng)硬件設計包括功率板和控制板，功率板包括開關電源、系統(tǒng)主電路以及保護檢測電路等，開關電源包括九路輸出，包括為控制板提供供電電源，供給驅動芯片采用3210，供給功率板運算放大電路等。

系統(tǒng)主電路為電壓型逆變器形式，包括工頻電流轉換、濾波回路以及逆變器等，主電路結構件圖3所示，圖中R1是指軟啟動電阻，主要是避免瞬間電流過大，控制電路有規(guī)則地控制逆變器開關管的導通，驅動電動機運行。

電流檢測電路包括電平轉換電路和霍爾元件，其中霍爾元件量程為-12 A～+12 A，DSP采樣量程為 0～3.3 V，因此需要在霍爾元件加入電平轉換環(huán)節(jié)，起到緩沖、隔離以及提高等作用。在DSP采樣處理中，減去偏置值，得到采樣信號值，系統(tǒng)初始化時，未運行電流采樣值為準則。采樣程度中將采樣值經(jīng)過軟件濾波完成電流采樣環(huán)節(jié)。

在計算中采用電壓矢量控制算法，在過壓和欠壓保護中需要監(jiān)測母線電壓值，母線電壓由電平轉換電路和分壓電路構成，母線電壓經(jīng)過 RC濾波之后，信號引入放大器，將信號接入采樣通道中，需要注意電壓控制在DSP和AD量程中，避免損壞DSP。在軟件處理中，為避免影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，母線電壓不能改變過頻。過流保護電路由電壓比較器構成，正向電流過流值采用 HOC基準，負向電流采用LOC電壓基準，超過電壓基準值會輸出過流信號，在系統(tǒng)過流時，過流比較器輸出低。過壓保護器主要由電壓比較器組成，保護電路見圖4所示，采用母線電壓采樣值作為基準電壓，大于基準電壓，輸出過壓信號。

控制器設計包括控制面板、DSP最小系統(tǒng)以及接口電路等，控制面板為最基本人機界面，發(fā)出的顯示數(shù)據(jù)為串行數(shù)據(jù)，在盡可能減少外部電路條件，形成正常系統(tǒng)。在調(diào)試程序中，將程序安裝在RAM中，實現(xiàn)單步調(diào)試，由于RAM資源有限，外部擴展4片RAM。碼盤信號采用差分信號輸入，抗干擾能力強，采用 26LS32芯片轉換差分信號。

系統(tǒng)軟件設計中，系統(tǒng)主控制芯片為TMS320LF2407A，基于DSP調(diào)速系統(tǒng)設計中，對速度要求很高，系統(tǒng)受控狀態(tài)量變化很大，在軟件設計中，需要充分利用DSP資源。主程序完整功能包括DSP式中、事件管理器、A/D等模塊等，主程序模塊流程為開始→禁止看門狗→設置時鐘→設置 I/O口→設置事件管理器→設置AD→變量初始化→轉子初始位置檢測→中斷。中斷程度是系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓和過電流情況下發(fā)出的中斷。由于TI公司DSP僅僅支持定點運算，為保證控制精度還需要用到浮點計算，采用各個變量標么值數(shù)學表述形式。系統(tǒng)在額定狀態(tài)下，各變量標么值取1，啟動時，標么值大于1，因此每一個變量采用16位表示。模擬量檢測是永磁同步三相定子電流檢測，電機電流為零時，電壓取1.65 V，AD轉換值取512，采用軟件方法很容易得到實際轉換結果。

在實驗中，每個電流環(huán)周期均進行4次采樣，在理論值上減去2048，由于實際上零點偏移，偏置值并不是2048，因此需要采用多次采樣值，取平均值，得到U相電流偏置值為1909，W相為1792。速度環(huán)實驗中，速度取 600 rpm，在空載條件下，穩(wěn)態(tài)時速度波動幅度不超過2 rpm，穩(wěn)定性良好，速度給定 10 rpm時，穩(wěn)態(tài)誤差為 1 rpm，系統(tǒng)低速運行效果良好。高速運行時，速度環(huán)取2000 rpm試驗，誤差不超過6 rpm，高速運行效果良好。

6　結語

綜上所述，本文在分析永磁同步電機傳動系統(tǒng)非線性控制策略基礎上，分析了調(diào)速系統(tǒng)的設計，根據(jù)直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工程設計雙閉環(huán)控制器，推導自適應轉動慣量辨別算法，并通過實驗驗證控制器設計的有效性，由于時間的限制，硬件平臺抗干擾軟硬件還需要進一步改進，保證速度環(huán)運行的穩(wěn)定性。

[1] 侯利民. 永磁同步電機傳動系統(tǒng)的幾類非線性控制策略研究及其調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)[D]. 東北大學，2010.

[2] 田書欣，楊喜軍，劉占軍，等. 地板水暖矢量控制調(diào)速系統(tǒng)轉子位置滑模觀測器的研究[J]. 電機與控制應用，2011，38(1): 25-28.

[3] 侯利民，王巍. 無速度傳感器的表面式永磁同步電機無源控制策略[J]. 控制與決策，2013，(10): 1578-1582，1586.

[4] Sato D，Itoh J I. Improvement of the electric energy consumption of permanent magnet synchronous motor drive system using three-level inverter[J]. Ieej Transactions on Sensors & Micromachines,2015，5: 135.

[5] Gong Xianwu，MA Jian，Xu Shufen，et al. High efficiency and fast response control of permanent magnet synchronous motor for electric vehicles[J]. China Journal of Highways&stransport，2014，27: 171-170.

[6] 唐聞新. 基于模糊控制的永磁同步電機速度控制系統(tǒng)設計[D]. 合肥工業(yè)大學，2011.

[7] 周鋒. 基于矩陣變換器的永磁同步電機無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)研究[D]. 中南大學，2012.

[8] 周野. 基于雙向DC/DC變換器的無刷直流電機轉矩脈動抑制研究[D]. 西南交通大學，2011.

Nonlinear Control Strategy and Realization of the Speed Control System for Permanent Magnet Synchronous Motors Drive System

Li Lingjie，Jing Yili
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

The speed control system of drive system for the permanent magnet synchronous motor is introduced. The nonlinear control strategy，the current return decoupled manner and SVPWM principle are analyzed. The dual closed-loop controller is designed and the system hardware and software is described. Experimental results demonstrate the correct of the controller design. What is，in no-load conditions，the fluctuation range is no more than 2rpm in the steady state and has good stability. When a 10rpm speed is given，the steady-state error is 1rpm and the system works well at low speed. The results prove that the current return decoupled manner and SVPWM principle of the linear control strategy has a good dynamic performance and stability

permanent magnet synchronous motor; the transmission system; speed control system; nonlinear control

TM351

A

1003-4862（2015）12-0072-05

2015-09-30

李凌杰（1983-），男，工程師，研究方向：電氣工程。