基于矢量變換以及模糊PI控制的永磁同步電機 控制系統研究

于淼

摘? 要：為了解決永磁同步電機在復雜環境下轉矩脈動大，轉速響應速度慢的問題，根據永磁同步電機的數學模型，設計了一種模糊PI控制系統，并采用電流轉速雙閉環的矢量變換控制方法驅動永磁同步電機。經分析仿真實驗結果可知：該控制系統解決了傳統PI控制器存在的轉速超調量大;轉速響應慢;轉矩脈動大等問題，有良好的動靜態特性。

關鍵詞：永磁同步電機;模糊PI;矢量變換;轉矩脈動

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，調速范圍廣，抗干擾能力強，高效率等優點被人類廣泛應用于新能源領域，但因永磁同步電機數學模型復雜，其控制方法一直是一個難點。傳統PI控制系統雖然在一定程度上可控制永磁同步電機，但存在轉速控制效果精度低，轉矩脈動大等問題，大大的限制了永磁同步電機的應用。文獻[1]設計了一種永磁同步電機模糊控制系統，并制定了完整的模糊控制規則，解決了常規PID控制系統轉矩脈動大的問題，但轉速響應不明顯;文獻[2]搭建了一種模糊PI控制系統，增強了控制系統的魯棒性，但轉矩脈動較大;文獻[3]設計了永磁同步電機轉速伺服系統魯棒控制器，達到了良好的電機控制效果，但轉速響應不足;文獻[4]建立了永磁同步電機模糊PID 參數自整定控制系統，該控制系統可自行調整PID參數，提高了控制系統的靈活性，但轉速控制精度較低。

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，設計了模糊PI控制系統，并采用電流環+轉速環的雙閉環矢量控制系統，并通過matlab/simulink進行了仿真分析，并與傳統PI控制系統的實驗結果進行了對比，結果表明，該控制系統有效的提高了永磁同步電機的轉速響應，降低了轉矩脈動。

2 永磁同步電機數學模型分析

在分析永磁同步電機數學模型的過程中，忽略鐵芯飽和現象;忽略電機繞組漏感;轉子繞組無阻尼;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生正弦分布的磁勢。永磁同步電機在d-q坐標系的數學模型如下。

3 矢量變換以及模糊PI控制系統

3.1 模糊PI控制的原理及結構

模糊PI控制是依據模糊集合思想、模糊邏輯以及模糊語言，將實際結果轉化為機器指令，從而實現智能控制。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速偏差e與轉速偏差變化率轉換到論域，實現輸入量模糊化;數據庫則是給予處理模糊數據的方式并交代控制規則，采用“if-then”語句描述模糊控制規則，模糊規則決定了控制器的性能;模糊推理是根據模糊控制規則來獲得合適的調節量;去模糊化則是將模糊推理得到的調節量變成論域范圍內的清晰量，再變化成實際的控制量，如圖1所示。

該控制系統根據充分的專家經驗，將電機轉速偏差e與轉速偏差變化率ec作為模糊PI控制器的輸入PI參數Kp、Ki，根據不同的e與ec輸出不同的參數，達到實時調整PI參數的目的。這種在線修改PI參數的方法大大的提高了永磁同步電機的控制系統的自適應能力，提高系統靜態以及動態特性，提升控制效果，模糊PI控制系統的具體結構如圖2所示。

3.2 模糊規則的制定

模糊規則的好壞決定了模糊PI控制系統的性能，因此，制定精準的模糊規則是重中之重。在電流與轉速雙閉環控制結構中的轉速環加入模糊控制器，根據轉速偏差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{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Kp、Ki作為PI控制器的修正輸入量再次進入控制系統，定義其模糊子集為{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}對應{正大、正中、正小、零、負小、負中、負大}，經過反模糊化處理后將其論域映射到[-6，6]上，得到其模糊規則，具體模糊規則如圖3、4。

4 仿真分析

為了驗證該控制系統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控制系統與傳統PI控制系統，設置永磁同步電機的額定參數為：電機電阻R=2.875，交直軸定子電感均為0.0085H，電機轉動慣量J=0.0008kg·m2，電機極對數Pn=4。仿真時間設為0.1s，電機轉速為850r/s。系統啟動負載轉矩為100N·m。仿真結果如圖5～8所示。

通過圖5、6可見，模糊PI控制系統轉速響應明顯快于傳統PI控制，且可穩定達到目標轉速850r/s并保持穩定無波動;而傳統PI控制不能達到目標轉速，且轉速波動明顯。

通過圖7、8可見，模糊PI控制系統轉矩脈動小且穩定，而傳統PI控制系統轉矩脈動較大，抖動明顯。

5 結束語

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，采用了電流轉速雙閉環的矢量控制方法。仿真結果表明，該控制系統能夠有效的提高永磁同步電機的轉速響應;降低了驅動電機的轉矩脈動;具備一定的適應性以及魯棒性;抗干擾能力強。為永磁同步電機的應用提供了參考依據。

參考文獻：

[1]李添幸，馬瑞卿，張健，等.基于模糊PID永磁同步電機控制[J].電源技術應用，2016（12）：9-15.

[2]蘇鳴翰.永磁同步電機的模糊控制研究[J].鞍山師范學院學報，2016，18（4）.

[3]楊書生，鐘宜生.永磁同步電機轉速伺服系統魯棒控制器設計[J].中國電機工程學報，2009，29（3）：84-90.

[4]丁文雙，胡育文，魯文其，等.永磁同步電機模糊PID參數自整定[J].微特電機，2011，39（5）：13-17.

[5]LI Shihua，GU Hao. Fuzzy Adaptive Internal Model Control Schemes for PMSM Speed-Regulation System[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics，2012，8（4）：767-779.

[6]張宏宇，閆鑌，陸利忠.永磁同步電動機控制策略及應用研究綜述[J].微電機，2008，41（4）：96-100.

[7]孫靜，張承慧，劉旭東，等.基于Hamilton系統理論的電動汽車用永磁同步電機H∞控制[J].電工技術學報，2013，28（11）：163-169.

[8]黃平，王英，江先志.基于STM32的直流電機模糊PID調速系統研究[J].機電工程，2017，34（4）：380-385.