永磁同步電機電流環參數整定

李悅寧 史輝英

濰柴動力股份有限公司 山東省濰坊市 261061

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由于永磁同步電機具有動態響應好、重量輕等優點[1-3]，使得永磁同步電機在新能源電動汽車動力中占據主導地位。然而，PMSM 是由多個變量控制，具有較強的非線性，針對其較強的強耦合性能需要采用一定的控制策略對其進行控制。PID 控制目前在工業中仍然占據主導地位，因其結構簡單實現便捷、參數對于控制系統物理意義明確、穩定性可靠性強、適用性廣，所以PID 參數整定較為便捷簡單[4]。

隨著科技的進步，由于永磁同步電機具有轉矩與電流的比值比較高、低速性能好、控制精度高，控制穩定性強等優勢但目前永磁同步電機存在的PI 參數整定困難復雜，為此本文基于PMSM 數學模型，結合電流控制策略，介紹了傳統的控制算法的PI 參數整定方法。常規的PI 調節器應用在復雜多變的工況中調節能力比較弱，而且比較依賴于控制對象。PI 調節器控制性能的好壞取決于調節器的參數調整的好壞，人們往往根據經驗對PI 調節器的參數進行調整，根據經驗得來的參數整定有時不會使調節器達到預期的調節效果。因此，要想達到預期的控制效果，采用一定的策略對參數進行整定是十分必要的。

1 PMSM 的數學模型

現階段，三相PMSM 根據轉子所在的位置可以分為表貼式與內置式兩種結構[5]，為求省略不必要的分析，節省相應的分析時間，以來節省相對應的人為成本，三相PMSM 必須為理想狀態下的電機。

這樣，在自然坐標系即ABC 坐標系下的PMSM 的三相電壓方程為[6-7]：

磁鏈方程為：

由以上方程可以看出電磁轉矩的表達式中的變量居多冗雜。因此，三相PMSM 是由多個變量控制，具有較強的非線性的復雜系統。

本文設計的永磁同步電機控制系統的速度控制采用電流速度雙環控制。三相電流經過一系列的變換再經過SVPWM 模塊，控制電機驅動模塊進而控制永磁同步電機。電流控制為電機控制的基礎所在，對電流環的控制優化對電機的優化控制起著決定的作用。

2 PMSM 的PI 電流控制

表貼式控制與最大轉矩電流比控制是目前三相PMSM 電機最常用的兩種控制方式，這兩種控制方式對三相電機均有良好的控制效果。表貼式三相PMSM 控制方式更適應控制，雖然兩種控制方式各有各的特點，但是相對于電機來說是相同的，是一致的，根據電機的不同特性會達到相同的控制效果。圖1 給出了采用控制方法的三相PMSM 矢量控制框圖，從圖中可以看出三相PMSM 控制主要分為3 部分：轉速環PI 控制器、電流環PI 控制器和SVPWM 算法等[9]。

圖1 三相PMSM 矢量控制框圖[9]

2.1 電流環PI 的參數整定

為了便于控制器的設計，更好的整定控制器的參數，從而使控制器對控制對象的優化效果達到最優，采用坐標系下的電流方程為

為了去除d、q 軸電流的耦合效果，式2-1 可以變為如下

即可以得到d-q 軸的電壓為

正如式2-4 所示，當采用前饋解耦控制策略時，雖然可以實現對PI 調節器的參數整定，但該方法卻僅當電機的實際參數與模型參數匹配時，交叉耦合電動勢才會得到完全解耦，對模型的精度要求較高，對參數的變化較為敏感。而內膜控制器具有結構簡單、參數單一以及在線計算方便等優點[10]，對模型的精度要求低，且對參數的變化較不敏感，因此可以采用圖2 所示的內膜控制策略進行PI 調節器的參數設計。

圖2 內膜控制系統框架圖

其中：I 為單位矩陣。

將式2-7 代入到式2-5 中，可得到內膜控制器為

將式2-8 代入式2-6 中，可得

將式2-9 和式2-4 進行比較得知，兩式滿足如下的關系：

綜上所述，以內置式三相PMSM 為例，內模控制策略由于對模型的精度要求低且對參數的變化不敏感適用于內置式電機的PI 調節器的參數整定，同理，表貼式電機的調節器參數整定也同樣適用，可以實現對參數的較優整定，且實現對電機的最優控制。

2.2 基于PI 調節器的PMSM 矢量控制

根據圖1 所示的三相PMSM 矢量控制框圖，在Simulink 環境下搭建仿真模型，采用仿真模型模仿真實電機進行工作，模型參數與電機參數盡可能的保持一致，這樣才能保證仿真模型無限的貼近真實的電機模型。其中，仿真中電機參數、條件為下表1：

表1 電機參數

續表1-1 仿真條件

本小節以內置式PMSM 矢量控制系統仿真模型的搭建為例，給出系統仿真模型以及參數設置等模塊，表貼式PMSM 矢量控制系統的仿真模型可以參考此方法進行。

2.2.1 仿真結果分析

為了驗證計算出的PI 調節器參數的有效性，驗證PI 調節器的魯棒性能與調節性能，設置轉速為80r/min，初始時刻無負載轉矩，在t=0.2 時加入負載扭矩的相關擾動，仿真結果如圖3 所示。

圖3

由以上仿真結果可以看出，當電機由0上升到80 轉速時，并且在t=0.2 時突然增加負載扭矩雖然一開始也有超調現象的出現，但是在優化后的PI 調節器的調節之下在超調之后能夠較快的恢復到預期值，從而說明基于內膜控制策略的PI調節參數值具有良好的魯棒性能，能夠滿足電機的運行需要。

3 結論

電流控制為電機控制的基礎所在，對電流環的控制優化對電機的優化控制起著決定性的作用。本文采用內膜控制策略對電流環PI 調節器參數進行優化，根據優化后的參數設置對電機相關性能進行仿真，電機能夠采用較少時間迅速的恢復到預期值，即基于內膜控制策略的PI 調節器具有良好的魯棒性能與抗干擾能力，增強了對控制對象的控制效果，從而達到對電機性能優化的目的。