李玲瑞，許鳴珠，高旭東

(石家莊鐵道大學，石家莊 050043)

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基于自適應(yīng)PID的永磁同步電機電流控制

李玲瑞，許鳴珠，高旭東

(石家莊鐵道大學，石家莊 050043)

論文提出了基于自適應(yīng)PID的永磁同步電機電流環(huán)控制策略，并將該算法數(shù)字化，應(yīng)用于以DSP TMS320F2812為核心的永磁同步電機數(shù)字控制平臺，實現(xiàn)了對永磁同步電機電流環(huán)的穩(wěn)定控制。該算法采用帶遺忘因子的最小二乘法對PID不確定參數(shù)進行估計。實驗結(jié)果表明，所提方法控制精度高、魯棒性強，方便工程應(yīng)用，實用價值較高。

永磁同步電機；自適應(yīng)PID；帶遺忘因子的最小二乘法；電流控制

0 引 言

永磁同步電機(以下簡稱PMSM)控制一般采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)，傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)是最常用的控制方法[1]。但是，傳統(tǒng)PID參數(shù)調(diào)節(jié)不夠方便，且對于大時滯、時變、非線性或隨機干擾嚴重的系統(tǒng)往往不能得到滿意的控制效果[2]。為了得到良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能，學者們提出了許多新的控制方法。姜偉等[3]采用模糊PI控制來調(diào)節(jié)PMSM的速度，模糊控制無需知道被控系統(tǒng)的數(shù)學模型，依據(jù)以往的控制經(jīng)驗設(shè)計控制器，在線對系統(tǒng)參數(shù)進行模糊調(diào)整。在文獻中，邵伍周等[4]將單神經(jīng)元PID調(diào)節(jié)器和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，實現(xiàn)了參數(shù)的在線辨識和轉(zhuǎn)速的在線控制，模糊算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對模型參數(shù)攝動及負載擾動的魯棒性都較強。為了解決傳統(tǒng)PI無法實現(xiàn)解耦而電壓前饋解耦控制策略對參數(shù)敏感的問題，文獻[5]提出了基于內(nèi)模的滑模電流解耦控制策略，利用內(nèi)?？刂撇呗钥刂齐姍C解耦模型，保證系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的速度。但是上述控制方法也都存在一定的不足，例如：模糊控制需要前期的控制經(jīng)驗，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離線訓練需要大量的實驗樣本數(shù)據(jù)，而內(nèi)模控制需了解被控對象的精確模型，實現(xiàn)過程非常復(fù)雜，實際應(yīng)用中對硬件要求高，適用面較窄。

為了方便硬件控制的實現(xiàn)，本文提出一種基于自適應(yīng)PID的控制策略，將自適應(yīng)控制與經(jīng)典PID算法相結(jié)合，利用帶遺忘因子的最小二乘法在運行過程中實時估計比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，對應(yīng)用面最廣的經(jīng)典PID控制器進行在線優(yōu)化。本文算法使用的自適應(yīng)PID控制器參數(shù)調(diào)整簡單，不需要被控對象的精確模型，計算量小，調(diào)節(jié)速度快，易于在硬件中實現(xiàn)。

1 電流環(huán)自適應(yīng)PID控制器設(shè)計

將自適應(yīng)算法與經(jīng)典PID控制算法相結(jié)合，推導出自適應(yīng)PID控制算法，使系統(tǒng)在閉環(huán)運行狀態(tài)下，在線修正算法參數(shù)[6-7]。

控制對象的二階慣性加滯后的傳遞函數(shù)G(s)和PID控制器的傳遞函數(shù)D(s)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

本文設(shè)計的自適應(yīng)PID控制器算法基本步驟如下：

(2) 讀取新的觀測數(shù)據(jù)y(t)和設(shè)定值yr(t),組成回歸向量φT(t-1)=[y(t-1) y(t-2) u(t-L)]；

(5)將參數(shù)值賦予自適應(yīng)PID模塊；

(6)返回步驟(2)，重新開始計算。

基于自適應(yīng)PID參數(shù)自整定控制的原理如圖1所示，屬于隱式自矯正控制器，通過對系統(tǒng)過程中的轉(zhuǎn)速偏差e(k)、控制輸入u(k)以及實際輸出ym(k)進行不斷的檢測，并將其作為參數(shù)利用最小二乘法進行估值以獲得實時的PID參數(shù)。

圖1 自適應(yīng)PID控制原理

2 實驗系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

為了將自適應(yīng)PID控制器數(shù)字化應(yīng)用，設(shè)計了以TMS320F2812為核心的永磁同步電機驅(qū)動控制器硬件，包括控制板模塊、功率板模塊、顯示調(diào)速模塊，控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制器硬件結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)通過顯示板中設(shè)定輸出轉(zhuǎn)速，輸送給DSP，作為系統(tǒng)的給定速度[8]；控制模塊產(chǎn)生的SVPWM信號經(jīng)過線性驅(qū)動后輸出給驅(qū)動模塊，再經(jīng)過光電隔離進入大功率驅(qū)動芯片后將信號傳給IGBT橋型電路，輸出逆變信號給PMSM；檢測電路由霍爾電流傳感器檢測電流輸出波形，信號經(jīng)過濾波整形調(diào)理處理后反饋給DSP芯片的A/D轉(zhuǎn)換模塊進行運算；正交編碼脈沖電路(QEP模塊)檢測PMSM的編碼器信號作為速度反饋，經(jīng)信號調(diào)理后傳送給DSP，實現(xiàn)電機控制。

2.2 軟件設(shè)計

本實驗的開發(fā)環(huán)境為CCS5.5，開發(fā)環(huán)境為C語言，采用模塊化編程。程序模塊包括主程序、初始化模塊、斜坡控制模塊、坐標變換模塊、PWM生成模塊、PID模塊等。中斷主要有定時器1下溢中斷服務(wù)程序、編碼器計數(shù)中斷服務(wù)程序。定時器1下溢中斷服務(wù)程序為整個程序的核心部分，也是實現(xiàn)電機平穩(wěn)運行的關(guān)鍵。在定時器1下溢中斷中首先讀取Iu,Iv的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，進行坐標變換，對電流環(huán)進行控制；通過QEP模塊檢測電機角度，對速度環(huán)進行控制，實驗流程圖如圖3所示。

圖3 實驗流程圖

根據(jù)本文所提算法和相關(guān)原理，實驗采用的PMSM參數(shù)如下：Pn=0.2kW，In=7.5A，Tn=0.637N·m,Un=36V, Nn=3 600r/min,p=4。實驗硬件核心是TI公司研發(fā)的32位定點高速數(shù)字處理器TMS320F2812，最高工作頻率為150MHz，系統(tǒng)的控制周期為50μs。PMSM的控制驅(qū)動方式為id=0的電流矢量控制，控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 永磁同步電機程序結(jié)構(gòu)控制方式

3 實驗結(jié)果及分析

永磁同步電機調(diào)速傳動系統(tǒng)多采用矢量控制技術(shù)，矢量控制實質(zhì)上就是對電動機定子電流矢量相位和幅值控制。當磁體的勵磁磁鏈和直交軸電感確定后，電動機的轉(zhuǎn)矩便于通過id,iq來控制。在本文實驗中采用id=0的矢量控制方法,通過如下三種程序結(jié)構(gòu)的控制方式進行對比研究：

(1)d,q軸中均放入自適應(yīng)PID模塊

圖5 d,q軸均自適應(yīng)PID控制的速度響應(yīng)曲線

圖6 電機堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象

(2)d軸為經(jīng)典PID控制，q軸為自適應(yīng)PID控制

圖7 自適應(yīng)PID加經(jīng)典PID控制的速度響應(yīng)曲線

(3)d,q兩軸中均用經(jīng)典PID控制

通過在線調(diào)節(jié)，設(shè)定d,q軸的PID函數(shù)模型參數(shù)：Kp_id=0.72，Kp_iq=1, Ti_id=0.003 17，Ti_iq=0.003 17，Td_id=0，Td_iq=0。經(jīng)典PID通過在線調(diào)節(jié)PID的系數(shù)來獲得對永磁同步電機的平穩(wěn)控制。圖8為經(jīng)典PID控制的速度響應(yīng)曲線圖，占空比為 0.4。

圖8 經(jīng)典PID控制的速度響應(yīng)曲線

對比圖5和圖7，可以發(fā)現(xiàn)d,q軸均采用自適應(yīng)PID控制與僅q軸采用自適應(yīng)PID控制的速度響應(yīng)曲線圖相似，對電機的控制效果相同，但圖7所用的單q軸采用自適應(yīng)PID控制的方法更加簡單，且沒有堵轉(zhuǎn)報警現(xiàn)象。對比圖7和圖8，可以發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)控制的PMSM的速度響應(yīng)曲線比PID控制的曲線響應(yīng)更加平穩(wěn)，速度波動小，尤其在高速時速度波動幾乎為0，且速度突變時速度過渡更加平緩，自適應(yīng)性強，能夠較好地延長電機的使用壽命。

4 結(jié) 語

本文針對在進行經(jīng)典PID應(yīng)用時含有不確定因素的情況，對其參數(shù)采用帶遺忘因子的最小二乘法進行參數(shù)的自適應(yīng)估計。通過硬件實驗對比，可以證明該方案可以在不確定PID參數(shù)，電機模型未知甚至參數(shù)發(fā)生變化的情況下，根據(jù)具體工況進行參數(shù)估計，得到穩(wěn)定的控制結(jié)果，自適應(yīng)性強，具有很高的工程應(yīng)用價值。

[1] BOSE B K.Power electronics and variable frequency drives：technology and applications[M].Wiley-IEEE Press,1997.

[2] 梁軍，符雪桐，呂勇哉.自適應(yīng)PID控制——I.基本原理與算法[J].浙江大學學報，1994,28(5):523-528.

[3] 姜偉，孫軍，裘信國.基于模糊PI控制的PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)[J].輕工機械，2015,33(5)：69-72.

[4] 紹伍周，唐忠，蔡智慧，等.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識的永磁同步電機單神經(jīng)元PID矢量控制[J].電力科學與技術(shù)學報，2007,22(2)：48-52.

[5] 周華偉，溫旭輝，趙峰，等.基于內(nèi)模的永磁同步電機滑模電流解耦控制[J].中國電機工程學報，2012,32(15)：91-99.

[6] 趙建華，沈勇良.一種自適應(yīng)PID控制算法[J].自動化學報，2001,27(3)：417-420.

[7] 任勇.一種抗強干擾自適應(yīng)PID控制算法[D].哈爾濱：黑龍江大學，2012.

[8] 任志斌.電動機的DSP控制技術(shù)與實踐[M].北京：中國電力出版社，2012.

Current Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Adaptive PID

LI Ling-rui, XU Ming-zhu,GAO Xu-dong

(Shijiazhuang Railway University,Shijiazhuang 050043,China)

In this paper, the current loop control strategy of permanent magnet synchronous motor based on adaptive PID is proposed, and realizes the digital of the algorithm, and the algorithm is applied to the digital control platform of permanent magnet synchronous motor based on TMS320F2812 DSP. It realizes the stable control of permanent magnet synchronous motor current loop. The algorithm adopts the least square method with forgetting factor for PID parameter uncertainty estimation. The results show that the proposed method has higher control precision and strong robustness as well as high engineering application value and high practical value in the field of motor control.

permanent magnet synchronous motor; adaptive PID; the least square method with forgetting factor; current control

2016-01-12

國家自然科學基金面上項目(11372198)；河北省教育廳科學技術(shù)重點項目(ZD20131089)

TM351;TM341

A

1004-7018(2016)10-0058-03

李玲瑞(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為智能檢測技術(shù)與控制系統(tǒng)。