張 叢,胥 良,朱禹杭

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

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模糊自適應(yīng)控制在永磁同步電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張 叢,胥 良,朱禹杭

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

目前,大多數(shù)的控制系統(tǒng)都是非線性的,傳統(tǒng)的PI控制雖然結(jié)構(gòu)簡單,不受控制對象的影響,但在一定程度上受到了局限性。而模糊控制適用于非線性系統(tǒng),可根據(jù)模糊量來對系統(tǒng)進行精確控制。結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點,提出了模糊PI自適應(yīng)控制,并將其應(yīng)用在永磁同步電機調(diào)速控制系統(tǒng)中,根據(jù)不同的情況自動調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。經(jīng)MATLAB建模仿真,驗證了模糊PI自適應(yīng)控制能提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性與魯棒性。

永磁同步電機;模糊自適應(yīng)PI控制器;MATLAB

電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)要求控制精度高,可靠性強等優(yōu)越的性能,這使它成為了控制系統(tǒng)的核心[1]。永磁同步電機(PMSM)體積小,重量輕,轉(zhuǎn)子無發(fā)熱問題,具有損耗低、電氣時間常數(shù)小、響應(yīng)快等特點,因此永磁同步電機已大量應(yīng)用于電動汽車控制系統(tǒng)中[2]。但由于永磁同步電機存在非線性,外界干擾等因素,傳統(tǒng)的PI控制不能達到滿意的控制效果。而模糊控制不受被控對象的影響,是利用人的思維與經(jīng)驗,通過模糊邏輯推理系統(tǒng)實現(xiàn) PI 控制器參數(shù)的在線調(diào)節(jié),從而使系統(tǒng)具有超調(diào)量小,魯棒性、自適應(yīng)性強和調(diào)節(jié)時間短的優(yōu)點[3]。所以本文提出使用模糊自適應(yīng)PI控制器,根據(jù)外界因素的變化來不斷改變PI調(diào)節(jié)中的比例和積分增益[4]，實現(xiàn)對永磁同步機的控制。

1 PMSM的數(shù)學模型

在dq坐標系中,定子電壓方程為:

ud=Rsid+pψd-ωψquq=Rsiq+pψq+ωψd

(1)

式中：Rs為定子繞組電阻,p為微分算子,ψ為磁鏈,ω為角速度。

定子磁鏈方程為:

ψd=Ldid+ψfψq=Lqiq

(2)

式中：ψf為定子上耦合磁鏈,L為電感。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

Te=pm[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(3)

式中：pm為極對數(shù)。

2 矢量控制策略

目前，矢量控制策略主要有id=0的控制、cosφ=1的控制、最大轉(zhuǎn)矩電流比控制和恒磁鏈控制[5]。cosφ=1的控制過程中磁鏈會隨著負載變化而變化,降低了電機功率系數(shù)；最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法隨著轉(zhuǎn)矩增加,電機端電壓會升高,致使功率因素下降；恒磁鏈控制雖然功率因素高,但會限制最大輸出轉(zhuǎn)矩[6]；id=0的控制方法,可使直軸電流id分量為0,并通過交軸電流iq來進行控制[7]，這種方法有較寬的調(diào)速范圍、能夠在很小電流情況下獲得很大的轉(zhuǎn)矩,使控制更加方便準確。所以,id=0成為了矢量控制的首選方案。

在這種控制模式下定子電壓方程為:

ud=ωψquq=Rsiq+pψq+ωψd

(4)

電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

Te=pmψfiq

(5)

通過上述可以看出,對轉(zhuǎn)矩的控制可以通過控制電流來實現(xiàn)。在控制過程中，可對轉(zhuǎn)速、位置還有三相電流進行采集。內(nèi)環(huán)為電流環(huán),外環(huán)為速度環(huán)。有坐標變換模塊、SVPWM發(fā)生模塊、PI調(diào)節(jié)、模糊自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)等共同完成對永磁同步電機速度的閉環(huán)調(diào)節(jié)[8]?？刂葡到y(tǒng)如圖1所示。

圖1 PMSM控制系統(tǒng)

3 模糊控制原理

模糊控制系統(tǒng)一般由定義變量、模糊化、數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫、模糊推理決策、解模糊5部分組成[9]?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 模糊控制原理圖

用E代表輸入的轉(zhuǎn)速誤差,EC代表轉(zhuǎn)速誤差變化率。輸出變量的P、I修正ΔKP、ΔKI。模糊控制規(guī)則如表1所示。其中，NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。隸屬度函數(shù)如圖3所示。

表1 ΔKP規(guī)則表規(guī)則表

圖3 隸屬度函數(shù)

在MATLAB中建立模糊控制模型,所設(shè)計模糊控制器輸出控制曲面如圖4所示。

圖4 ΔKp 輸出控制曲面

4 模型建立與仿真

在MATLAB中建立的仿真模型如圖5所示,設(shè)定子電阻Rs=2.875 Ω,Ld=Lq=8.5×10-3H,轉(zhuǎn)子磁鏈為ψf=0.175 Wb,轉(zhuǎn)動慣量J=0.008 kg·m2,給定的轉(zhuǎn)速為300 rad/s,空載啟動。

為了方便觀察,在t=0.1 s時負載突增到4 N·m,并與同條件下的PI控制進行了對比。

轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及三相輸出電流波形如圖6、7、8所示。

由圖6～8可明顯看出,模糊自適應(yīng)PI控制比傳統(tǒng)PI控制的響應(yīng)速度快,干擾小,穩(wěn)定性高,尤其在突加負載后,模糊控制幾乎不存在干擾,并>且能很快對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié),快速的恢復到穩(wěn)定狀態(tài)?？梢?本文模糊自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)器能更好地對永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)進行控制,滿足實驗及實際應(yīng)用要求。

圖6 轉(zhuǎn)速曲線

圖5 仿真模型

圖7 三相輸出電流波形

圖8 轉(zhuǎn)矩曲線

5 結(jié) 語

本文在重點討論PI控制與模糊控制優(yōu)缺點基礎(chǔ)上,提出了優(yōu)于兩種控制的PI模糊自適應(yīng)控制,并通過仿真試驗證明,該模糊自適應(yīng)控制比傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)有更快的響應(yīng)速度,仿真曲線平滑,振動小,超調(diào)量小,有較好的跟隨性與抗干擾性。而且使用模糊自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)器能更好地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性,所以,其應(yīng)用在電動汽車永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)中予計會有更廣闊的發(fā)展前景。

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(責任編輯 郭金光)

Application of fuzzy adaptive control in permanent magnet synchronous motor control system

ZHANG Cong, XU Liang, ZHU Yuhang

(School of Electrical & Control Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

At present, most of the control systems are nonlinear. Although the traditional PI control structure is simple, without being affected by the influence of control object, it is limited to some extent. Fuzzy control is, however, suitable in nonlinear system, which can be precisely controlled according to fuzzy quantity.The advantages of combining these two methods, this paper proposed the fuzzy PI adaptive control which was applied in the permanent magnet synchronous motor speed control system to automatically adjust controller parameters under different conditions. Through MATLAB modeling simulation, the fuzzy PI adaptive control is verified to succeed in improving dynamic stability and robustness of the system.

PMSM; fuzzy adaptive PI controller; MATLAB

2015-09-07。

張 叢(1990—),女，碩士研究生，研究方向為礦山電力傳動與控制。

TP273; TM341

A

2095-6843(2016)02-0165-04