基于模糊PID永磁同步電機矢量控制研究

戴嘉庚

摘要：常規PID控制器具有算法簡單、穩定性好、可靠性高的特點，適用于被控對象參數固定、非線性不很嚴重的系統。但由于實際的生產過程中被控對象往往存在負荷不確定性以及其它環境干擾問題，這就需要PID的參數不斷地進行在線調整。在建立電機矢量控制模型的基礎上，采用模糊控制器將基于Mamdani法的模糊PID應用在速度環上，實驗運行結果表明，此矢量調速控制系統魯棒性好，抗干擾能力強。

關鍵詞：永磁同步電機;模糊控制器;矢量控制

0? 引言

永磁同步電機因其結構簡單、運行可靠、體積小、運行穩定等優點被廣泛在醫療器械，電動汽車，船舶電力等領域[1]。但是永磁同步電機自身也存在缺陷，如變量多、參數多變、耦合性強等特點。這就需要采用合理的控制方法來獲得更好的控制性能[2]。隨著現代控制理論的不斷發展，經典的PID控制不能滿足現代工業生產對其參數的控制調整需求[3]。為了改善傳統PI調速系統的動能特性，文獻[3]采用雙閉環的PI控制器，從而控制d，q軸的最優分配關系。文獻[4]利用粒子群算法優化PID參數，但是對于離散的優化問題，容易陷入局部最優，而模糊算法魯棒性強，適合解決控制中的非線性、強耦合性、時變問題。

1? 永磁同步電機矢量控制系統

1.1 三相PMSM數學模型

為了方便驗證實驗的正確性，可以人為的假設三相永磁同步電機在理想在理想狀態下運行。即不計電機運行中的功率損耗、忽略磁化中的鐵芯飽和、并要求交變電流為三相對稱正弦電流。

三相永磁同步電機電壓方程表示為：

繞組的磁鏈表達式為：

式中：3s表示三相繞組磁鏈;u35、i3s分別為三相繞組的相電壓、電流;L3s繞組電感;F3s（？茲e）為三相繞組的磁鏈。

電磁轉矩Te可以用磁場能量對機械角？茲m位移的偏導來表示：

其中：pn為三相PMSM的極對數。

電機的機械運動方程為：

式中：m為機械角速度;J為轉動慣量;B為繞組阻尼系數;TL負載轉矩。

1.2 矢量控制原理

交流電機通過轉子定向磁場的方式獲得類似直流電機優越的動態性能。具體操作是通過坐標變換手段，將交流定子電流分解成電磁電流分量和轉矩電流分量，從而可以分別獨立的進行控制。根據電磁轉矩公式，q軸電流大小與電磁轉矩無關，故電機的控制策略采用id=0來控制三相永磁同步電機。

2? 模糊控制器的設計

模糊控制是通過人為的設計規則將實際中復雜的物理量進行分類，將復雜的物理量分解成可以用語言來進行描述處理的一種策略，來滿足實際的工程需求。所以模糊控制的規則選取就顯得尤為重要。

2.1 PID模糊參數設計規則

Kp、Kt的模糊參數設計規則表中的e和ec分別表示輸入物理量偏差絕對值e和其偏差變化率絕對值ec;L、M、S、ZO分別表示變量模糊子集的范圍大、中、小、零，的修正值，系統實時的參數取值分別為：。

2.2 模糊PID控制器設計

模糊PID控制器原理圖如圖1所示。

3? 建模仿真

3.1 實驗參數設置

三相永磁同步電機物理參數：極對數pn=4，定子繞組電感Ld=5.25mH，Lq=12mH，定子電阻R=0.955？贅，磁鏈？鬃f=0.1827Wb，轉動慣量J=0.003kg·m2，阻尼系數B=0.008N·m·s。仿真設置的條件：直流側的電壓Udc=311V，PWM開關頻率fpwm=10kHz，采樣周期Ts=10us，同時仿真采用變步長龍格-庫塔ode23tb計算，其相對誤差（Relative Tolerance）0.0001，仿真運行0.4s。（圖2）

3.2 仿真結果分析

為了更加直觀的驗證設計模糊PID控制器的實際應用效果，三相永磁同步電機設定的額定轉速Nref=1000r/min，其次對于負載轉矩，初始電機空載運行，當t=0.2s時TL=10N·m。（圖3）

通過定量對比分析，兩種控制方案都可以使三相永磁同步電機轉速達到設置要求，但是傳統的PID控制策略在電機運行初期存在較大的超調量，而采用模糊PID控制的電機超調量得到改善。從圖4圖5可以很直觀的比較出t=0.2s時，負載轉矩TL=10N·m采用模糊PID方案的電機的恢復速度更快，并能長期穩定運行。綜合分析說明了設計的模糊PID調節器的參數具有較好的動態性能和抗擾動能力。

4? 結論

本文針對永磁同步電機調速，提出一種以模糊算法為模型的矢量控制，通過Matlab/simulink平臺驗證該方法的正確性。與傳統的PID控制法相比，魯棒性好，具有更小的超調量和更加穩定的性能。

參考文獻：

[1]塵帥.基于模糊PID控制的EMB制動力控制策略[J].內燃機與配件，2019（15）：14-15.

[2]王小寧.面向低速電動汽車的永磁同步電機控制算法研究[D].江蘇大學，2018.

[3]孫曉.基于電流預測的永磁同步電機矢量控制算法研究[D].四川：西南交通大學，2017.

[4]祁春清，宋正強.基于粒子群優化模糊控制器永磁同步電機控制[J].中國電機工程學報，2006，26（17）：158-162.