張 凱，秦 斌，王 欣，梁 楓，曹成琦

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

基于電壓前饋解耦的地鐵永磁同步電機矢量控制研究

張 凱，秦 斌，王 欣，梁 楓，曹成琦

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

針對傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)中電流環(huán)使用PI調(diào)節(jié)器忽略交直軸電流耦合的問題，采用以d-q軸反饋電流和反饋速度為輸入的電壓前饋解耦單元，并將經(jīng)過d-q軸電流調(diào)節(jié)器的輸出作為補償電壓，與電壓前饋解耦單元構成復合控制系統(tǒng)。在MATLAB/SIMULINK仿真軟件下，搭建永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)和電壓前饋解耦模型，仿真分析在地鐵牽引、惰行、制動3種工況下有負載擾動時的運行情況。仿真結果表明：與傳統(tǒng)PI控制器相比，基于電壓前饋解耦的PI控制器能使系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能。

電壓前饋解耦；永磁同步電機；矢量控制

0 引言

永磁同步電機因其高效節(jié)能、高功率密度、高功率因數(shù)、重量輕等優(yōu)點，在軌道交通牽引系統(tǒng)中日益受到關注。目前，永磁同步電機的高性能控制方式主要有矢量控制和直接轉矩控制。這2種方式都是針對電機的轉矩進行高性能控制，而電流控制是實現(xiàn)轉矩精確控制的關鍵[1]。在傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)中，一般采用PI調(diào)節(jié)器分別對直軸和交軸電流進行反饋控制。該方法結構簡單、易于實現(xiàn)，但是忽略了交直軸電流耦合問題。若其中一軸上電流給定發(fā)生變化時，另一軸上電流會產(chǎn)生瞬時誤差，從而使轉矩產(chǎn)生瞬時畸變，導致系統(tǒng)的動態(tài)性能變差[2]。為了解決該問題，文獻[3]采用基于無差拍電流控制方法，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，但該方法受電機參數(shù)影響大，魯棒性不強。文獻[4]采用神經(jīng)網(wǎng)絡逆系統(tǒng)解耦控制方法，該方法需要大量的實驗樣本數(shù)據(jù)進行離線訓練，實現(xiàn)起來相對較復雜。

綜上所述，為了改善地鐵永磁同步電機控制系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，本文采用了電壓前饋解耦矢量控制方法。該控制方法以d-q軸反饋電流和反饋速度作為電壓前饋解耦單元的輸入，并將經(jīng)過d-q軸電流調(diào)節(jié)器的輸出作為補償電壓，與電壓前饋解耦單元共同作用，來實現(xiàn)d-q軸電流環(huán)的解耦。本文通過MATLAB/SIMULINK搭建大功率永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并分別在地鐵牽引、惰行、制動3種工況下進行仿真試驗。試驗結果表明加入電壓前饋解耦單元的矢量控制方法能使系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能和魯棒性。

1 數(shù)學模型

1.1 永磁同步電機

永磁同步電機是高階、強耦合、非線性的復雜系統(tǒng)。理想條件下，簡化其內(nèi)部參數(shù)。在d-q同步旋轉坐標系下，永磁同步電機的基本電壓方程為：

式中：ud, uq為定子電壓d-q軸分量；

Rs為定子繞組電阻；

id, iq為d-q軸電流分量；

Ld, Lq為定子的d-q軸等效電感。

電磁轉矩方程為

式中p為永磁同步電機的極對數(shù)。

1.2 電壓前饋解耦控制

將式（1）進行變換，得到：

由式（3）可知，采用PI控制器時，狀態(tài)方程存在耦合項，其輸出電壓一部分用于抵消反電動勢，一部分用來控制d-q軸電流，這樣能延長調(diào)節(jié)時間，降低系統(tǒng)性能。因此，本文通過引入id, iq和r的狀態(tài)反饋來補償耦合項，以提高電機的動態(tài)性能。電壓方程為：

式中u′d, u′q為補償后的d-q軸電壓分量。

將式（4）代入式（3）中，可得：

由式（5）可知，經(jīng)過補償后的狀態(tài)方程沒有耦合。電壓前饋解耦的電流調(diào)節(jié)器控制框圖如圖1所示[5-7]。

圖1 電壓前饋解耦的電流調(diào)節(jié)器控制框圖Fig.1 Control block diagram of current regulator with voltage feed-forward decoupling

2 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)

本文所設計的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。其工作原理是：定子三相電流經(jīng)過Clarke和Park變換得到兩相旋轉電流id和iq，將這2個電流作為電流環(huán)的反饋值，與給定值作比較，得到的信號通過PI調(diào)節(jié)器，將此輸出作為d-q軸電壓的補償值，將反饋電流和反饋速度輸入到電壓前饋解耦模型，再經(jīng)過Park逆變換得到電壓信號，輸入到SVPWM控制算法模塊，得到脈沖信號，以實現(xiàn)永磁同步電機的控制[8-10]。當采用id=0的矢量控制方法時，定子電流矢量位于q軸，而無d軸分量，即定子電流全部用來產(chǎn)生轉矩，電磁轉矩只與定子電流的幅值成正比，該方法使控制系統(tǒng)簡單，轉矩波動小，可獲得較寬的調(diào)速范圍。加入電壓前饋解耦單元后，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的動態(tài)性能更好。

圖2 基于電壓前饋解耦的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)結構框圖Fig.2 Structure diagram PMSM vector control system based on voltage feedforward decoupling

3 仿真分析

地鐵車輛的運行分為3種工況：牽引、惰行、制動。牽引是地鐵車輛在牽引電機的帶動下，做加速前進；惰行是地鐵車輛到達給定速度后，此時沒有牽引力作用，允許地鐵車輛在慣性的作用下，繼續(xù)前進；制動是地鐵車輛由于要到達目的地，需要剎車，車輛進入減速階段[12-13]。地鐵車輛的運行工況如圖3所示。

圖3 牽引系統(tǒng)運行的3種工況Fig.3 Three operating conditions under the traction system

本文通過MATLAB/SIMULINK搭建了基于電壓前饋解耦的PI控制器和傳統(tǒng)PI控制器的仿真模型，分析了2種控制器在地鐵牽引、惰行、制動3種工況下的運行情況。仿真時所用大功率永磁同步牽引電機的參數(shù)設置如下：定子電阻R=0.285，d-q軸的電感為2.5 mH，極對數(shù)為4對，f=0.75 Wb，直流側電壓為1 500 V。由于仿真試驗條件與實際運行有差距，假設地鐵在牽引、惰行、制動3種工況的總運行時間為1.4 s，且牽引制動時，作恒加減速度的理想處理。啟動時，電機給定負載為100 N·m。在0.8 s時，電機給定負載增大為300 N·m。給定轉速是從0 r/min增加到1 200 r/min，再減少至600 r/min，最后減速至0 r/min的動態(tài)變化。傳統(tǒng)PI控制器和基于電壓前饋解耦的PI控制器2種模型的仿真波形如圖4～6所示。

圖4 傳統(tǒng)PI控制器的仿真波形圖Fig.4 Simulation wave-forms of the traditional PI controller

圖5 基于電壓前饋解耦的PI控制器的仿真波形圖Fig.5 Simulation wave-forms of PI controller based on voltage feed-forward decoupling

圖6 2種控制方法的轉速比較圖Fig.6 Comparison diagram of rotational speed with two controlling methods

由圖4～6的仿真結果可知：

1）傳統(tǒng)PI控制器的d-q軸電流脈動較大，在轉速和負載突變的位置有波動，而基于電壓前饋解耦的PI控制器的d-q軸電流響應良好，且符合id=0的控制策略。

2）由定子三相電流局部放大圖對比可知，基于電壓前饋解耦的PI控制器的電流響應較平滑，比傳統(tǒng)PI控制器的波形畸變小。

3）相對于傳統(tǒng)PI控制器，基于電壓前饋解耦的PI控制器的轉矩脈動比較平滑，且脈動較小，約為傳統(tǒng)PI控制器的一半。

4）從轉速波形對比可知，2種控制方法都能夠快速達到給定速度，但基于電壓前饋解耦的PI控制器達到給定速度的時間更短。

4 結語

針對傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)中速度和電流環(huán)使用PI控制器忽略交直軸電流耦合的問題，本文設計了一種基于電壓前饋解耦的PI控制器。在地鐵運行的3種工況下，將本控制器與PI控制器進行仿真分析。仿真結果表明：加入電壓前饋解耦的PI控制器使轉矩脈動平滑且脈動較小，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應，性能良好。本控制器能應用于地鐵、電動車等領域。

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（責任編輯：鄧 彬）

Research on Vector Control of Metro Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Voltage Feed-Forward Decoupling

ZHANG Kai，QIN bin，WANG Xin，LIANG Feng，CAO Chengqi
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the flaw exhibited by the current loop in the conventional vector control system when using PI regulator without quadrature-direct axis current coupling, with d-q axis feedback current and feedback speed the input voltage feed forward decoupling unit, the output of the d-q axis current regulator serves as the compensation voltage, thus forming a compound control system with the voltage feed forward decoupling unit combined together. The vector control system of permanent magnet synchronous motor and the voltage feed forward decoupling model are set up under the MATLAB/SIMULINK simulation software, followed by a simulation analysis of the operating condition with load disturbance under three operating modes of metro traction, coasting and braking. The simulation results show that, compared with that of the traditional PI controller, the system of the PI controller based on voltage feed-forward decoupling is relatively superior in that it exhibits a better dynamic performance.

voltage feed-forward decoupling；permanent magnet synchronous motor；vector control

TM351

A

1673-9833(2016)05-0022-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.05.005

2016-07-02

湖南省科技計劃基金資助重點項目（2014FJ2018），湖南省自然科學基金資助項目（13JJ3110），湖南省教育廳科研基金資助重點項目（15A050），湖南省研究生創(chuàng)新基金資助項目（CX2015B564）

張 凱（1990-），男，湖北黃岡人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為現(xiàn)代電力電子技術及系統(tǒng)，E-mail：zhangkai301@qq.com

秦 斌（1963-），男，湖南永州人，湖南工業(yè)大學教授，博士，主要從事復雜工業(yè)過程建模與優(yōu)化控制方面的教學與研究，E-mail：qinbin99@163.com