永磁電機的模糊滑模參數自整定內模PI控制

田樂樂，張輝，趙麗娜

永磁電機的模糊滑模參數自整定內模PI控制

田樂樂，張輝，趙麗娜

（齊齊哈爾大學 計算機與控制工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

為改善永磁同步電機（PMSM）的轉速跟隨特性和轉矩輸出特性，提出了一種基于模糊滑模參數自整定內模PI的永磁同步電機控制方法（FSMC-IMPI）．該方法采用模糊邏輯算法實現了滑模趨近參數的自整定，并且使用雙曲正切函數代替符號函數，采用內?？刂扑惴ㄟM行PI參數整定，簡化了電流環的控制參數．該方法能有效抑制滑模抖振，提高了系統的調節速度．此外，利用該算法分別設計了模糊滑模速度控制器和內模PI電流控制器，并進行了仿真實驗驗證．實驗結果表明，與傳統的PI控制和傳統滑?？刂葡啾龋岢龅哪：底哉▋饶I控制能夠減小滑模控制中固有的抖振現象，并且能夠有效提高系統的動態特性和魯棒性．

永磁同步電機；模糊控制；滑模控制；內模PI控制

新能源汽車在碳中和的背景下得到了工業部門的重視，正處于高速發展階段[1]．電機驅動系統是新能源汽車的核心部分，驅動電機控制性能的好壞直接決定了新能源汽車在市場上的競爭力[2]．永磁同步電機憑借體積小、功率密度高、運行可靠等優點，在新能源汽車驅動系統中作為動力源得到了廣泛應用[3]．針對永磁同步電機，傳統的PI控制技術已無法滿足新能源汽車對系統轉速跟蹤的實時性和魯棒性[4]．近年來，國內外學者利用非線性控制方法設計了新的控制方案，如自適應調節控制[5]、智能算法控制[6]、滑模變結構控制[7]等，其中，滑模變結構控制具有強魯棒性、結構簡單、響應速度快等優點，受到了國內外學者的廣泛關注．

單純的滑模變結構控制存在抖振現象會影響系統性能表現[8]．為解決抖振問題，國內外學者嘗試通過重構滑動模態、構建滑模觀測器和調整滑模參數等方法，主要有文獻[9]提出了用動態滑模法來減小抖振問題；文獻[10]提出了改善趨近律參數達到減小抖振的目的；文獻[11]提出一種動態邊界層全局互補滑?？刂品椒ㄒ愿纳贫墩駟栴}；文獻[12]提出了一種外加干擾觀測器的方法來減小抖振．這些方法都在一定程度上削弱了抖振現象．

本文提出了模糊滑模參數自整定內模PI控制方法來提高永磁同步電機驅動系統的動態性能．針對速度外環，從智能算法與滑模控制結合的角度入手，用模糊控制算法柔化滑?？刂?，在重新設計滑模趨近律的基礎上，采用模糊控制規則實現趨近參數自整定；而電流內環，采用內模控制算法進行PI參數整定，簡化了電流環的控制參數，增強了系統的抗干擾性．

1　PMSM數學模型

為了便于建立永磁同步電機的數學模型，假設：（1）忽略電動機鐵心的飽和；（2）不計電動機中的渦流和磁滯損耗；（3）電動機的電流為對稱的三相正弦波電流．由此，永磁同步電機的電壓方程可描述為

考慮到機械負載，永磁同步電機的運動方程寫為

2　速度環模糊滑?？刂破髟O計

2.1　新型模糊趨近律

傳統指數趨近律的表達式為

新型模糊指數趨近律設計

模糊系統主要由參數模糊化、模糊規則推理和解模糊等步驟組成．參數模糊化設計中模糊集的定義為

式中：PB為正大；PM為正中；PS為正小；ZO為零；NS為負??；NM為負中；NB為負大．

表1 確定的模糊規則表

表2 確定的模糊規則表

2.2 模糊滑?？刂破?/h3>

由于永磁同步電機驅動系統的控制目標是使電機轉速跟蹤轉速的參考值，定義轉速跟蹤誤差為

結合式（2）（3）（7）可得

定義滑模面函數為

對式（11）求導，可得

為保證三相永磁同步電機具有良好的動態品質，采用公式（6）模糊趨近律，可得控制器的表達式為

2.3 穩定性分析

成立．

定義Lyapunov函數為

對Lyapunov函數求導并結合引理得

3 電流環內模PI控制設計

對式（20）進行拉普拉斯變換后可得

當采用前饋解耦控制時，只有電機的實際參數與模型參數匹配時，交叉耦合電動勢才能完全解耦．為了解決這個問題，應該選取一種對模型精度要求低且對參數變化不敏感的控制策略，而內?？刂破骶哂薪Y構簡單、參數單一以及在線計算方便等優點，因此采用內?？刂撇呗赃M行參數設計．

式中：為單位矩陣．

圖2 內?？刂频刃Э驁D

通過分析，可得PI的整定值為

綜上所述，基于模糊滑模參數自整定內模PI的永磁同步電機控制系統原理框圖見圖3．

4 實驗結果分析

采用Matlab/Simulink建立控制系統仿真模型，對本文提出的模糊滑模參數自整定內模PI控制策略進行了相應的實驗驗證．其中，永磁同步電機的參數見表3．

表3 電機參數

圖4 和的變化曲線

圖5 3種控制的轉速變化曲線

PI控制、傳統滑?？刂坪湍：饶I控制的轉矩特性變化曲線見圖6．由圖6可以看出，模糊滑模內模PI控制轉矩輸出特性平穩、反應迅速，比另外2種控制方法抖動范圍?。?/p>

圖7 模糊滑模內模PI控制和傳統滑模控制的電流變化曲線

綜上所述，為提高新能源汽車中作為驅動源的永磁同步電機的速度跟隨特性和轉矩輸出特性，提出了模糊滑模參數自整定內模PI控制方法，一方面，在滑模控制的基礎上引入模糊控制，使滑模參數可以在線自整定；另一方面，引入內模PI控制，簡化了電流環控制參數的整定，使控制參數更加精確．通過仿真實驗結果可知，模糊滑模參數自整定內模PI控制能減小滑模控制中固有的抖振現象；模糊滑模參數自整定內模PI控制方法使永磁同步電機的調速性能更平穩、無超調，相比傳統PI控制調節時間縮短了33%，相比傳統滑?？刂普{節時間縮短了20%；轉矩輸出準確性高，在突加負載的情況下反應迅速穩定性好，系統具有更好的魯棒性．

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Permanent magnet synchronous motor control based on fuzzy sliding mode parameter self-adjusting internal mode PI

TIAN Lele，ZHANG Hui，ZHAO Lina

（School of Computer and Control Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

To improve the speed following characteristics and torque output characteristics of permanent magnet synchronous motor（PMSM），a PMSM control method based on fuzzy sliding mode parameter self-adjusting internal mode PI（FSMC-IMPI） is proposed． The method uses a fuzzy logic algorithm to realize the self-tuning of the sliding mode convergence parameters，and uses a hyperbolic tangent function instead of a symbolic function，and an internal-mode control algorithm for PI parameter tuning，which simplifies the control parameters of the current loop．This method can effectively suppress the sliding mode chattering and improve the regulation speed of the system．In addition，the fuzzy sliding-mode speed controller and the internal-mode PI current controller are designed respectively by using this algorithm，and the simulation experiments are conducted to verify them．The experimental results show that the proposed fuzzy sliding mode parameter self-tuning internal mode PI control can reduce the chattering phenomenon inherent in the sliding mode control and effectively improve the dynamic characteristics and robustness of the system compared with the traditional PI control and the traditional sliding mode control．

PMSM；fuzzy control；sliding mode control；internal mode PI

1007-9831（2022）10-0028-08

TM341

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.10.007

2022-05-05

黑龍江省教育廳基本科研業務專項（135509403）

田樂樂（1997-），男，河南項城人，在讀碩士研究生，從事智能電機與電氣控制研究．E-mail：tll780986256@163.com

張輝（1982-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，從事特種電機、智能電機與電氣控制研究．E-mail：zhanghui_zdh@163.com