于青龍

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永磁同步電機(jī)作為新的驅(qū)動(dòng)方式得到迅速發(fā)展，以高轉(zhuǎn)速、高效率、運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)小型化等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于市場(chǎng)，特別是新能源汽車廣泛使用永磁同步電機(jī)。

1 研究概述

永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）因具有發(fā)熱小、響應(yīng)快、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，被很多交流伺服系統(tǒng)作為動(dòng)力源。PID控制器算法實(shí)現(xiàn)簡單、應(yīng)用范圍廣。但在高精度高、加速度應(yīng)用領(lǐng)域，需要對(duì)普通PID算法進(jìn)行改進(jìn)。河海大學(xué)的戴衛(wèi)力等人針對(duì)永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)三環(huán)控制，采用結(jié)合變結(jié)構(gòu)控制和前饋控制的復(fù)合控制策略，提高了響應(yīng)速度和定位精度；范宇恒、李培林等人針對(duì)泵控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)以及負(fù)載擾動(dòng)的問題，提出了一種利用優(yōu)化后增量式PID與前饋結(jié)合的復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的調(diào)速能力以及魯棒性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因具有很好的逼近非線性映射能力，較強(qiáng)的魯棒性，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。徐杭東、麥云飛采用單神經(jīng)元PID自適應(yīng)控制器，結(jié)合Hebb神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，對(duì)電液位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行了控制，實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)的在線調(diào)整，系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性好、動(dòng)態(tài)精度高；FREIREEO等提出了一種適用于非線性動(dòng)力學(xué)的多輸入多輸出自適應(yīng)神經(jīng)元PID（AN-PID）控制器，修正了由于機(jī)器臂動(dòng)力學(xué)的不確定性和變化而導(dǎo)致的跟蹤誤差，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的魯棒性和自適應(yīng)能力；韓國的CHOCN等人提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器參數(shù)更新算法，有效降低了輪廓誤差和跟蹤誤差，提高了加工質(zhì)量和效率；日本的KENTOK等人針對(duì)非線性系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了非線性PID控制器，在線整定PID參數(shù)，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制器的可行性[1]。

2 參數(shù)辨識(shí)整體方案

利用輸入激勵(lì)信號(hào)電壓值和輸出電流采樣值，基于遞推最小二乘法可以得到電機(jī)的定子電阻和電感。由于死區(qū)和功率器件壓降會(huì)導(dǎo)致實(shí)際施加到電機(jī)線圈上的電壓小于理論給定值，影響電機(jī)參數(shù)辨識(shí)的精度，因此需要對(duì)輸出電壓差值進(jìn)行分析和補(bǔ)償。

采用階躍輸入電壓作為電機(jī)參數(shù)辨識(shí)的激勵(lì)信號(hào)，簡單易于實(shí)現(xiàn)，輸入和輸出數(shù)據(jù)能充分反映系統(tǒng)在各頻段的特性。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用電機(jī)定子電流近似達(dá)到電機(jī)額定電流時(shí)的電壓值作為激勵(lì)信號(hào)的幅值。電機(jī)定子線圈的傳遞函數(shù)模型可近似為一階慣性環(huán)節(jié)。伺服系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)以主控芯片中斷周期為步長的離散系統(tǒng)，在伺服驅(qū)動(dòng)器控制中，由于無法直接產(chǎn)生恒定的直流電壓，實(shí)際上是通過SVPWM調(diào)制產(chǎn)生PWM波，施加在逆變器上產(chǎn)生脈沖電壓，進(jìn)而在電機(jī)定子上獲得等效的直流電壓。由于電機(jī)的定子電阻值較小，給定的輸入電壓Uα較小，非線性因素帶來的電壓差值不能忽視，對(duì)輸出電壓進(jìn)行準(zhǔn)確的補(bǔ)償至關(guān)重要。在伺服系統(tǒng)中，逆變器的開關(guān)死區(qū)和IGBT的導(dǎo)通壓降是影響輸出電壓的2個(gè)主要因素。為了簡化仿真過程，在仿真中未進(jìn)行激勵(lì)輸入電壓幅值搜索的過程，直接采用幅值合理的階躍電壓輸入，對(duì)應(yīng)U相穩(wěn)態(tài)電流約為額定電流的1．25倍，對(duì)電機(jī)U相電流進(jìn)行采樣，通過MatLab中的M文件，離線地利用遞推最小二乘法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)參數(shù)的辨識(shí)。

3 PI-準(zhǔn)PR對(duì)三相永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究

PMSM本身是具有很強(qiáng)的非線性和復(fù)雜的變量耦合關(guān)系，為了方便分析，這里用基于轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d-q軸來進(jìn)行分析處理。忽略其中的渦流損耗、磁滯損耗。利用傳統(tǒng)PI控制對(duì)外界干擾難以到很好的控制效果，如果采用模糊控制方法對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，對(duì)非精確模型的情況很好的動(dòng)態(tài)特性，

在外界復(fù)雜的環(huán)境造成干擾的情況下，能夠保持良好的穩(wěn)定性。所以在矢量控制中常被用來與傳統(tǒng)PI結(jié)合控制PMSM．矢量控制下PMSM的電流環(huán)的控制通常采用多次復(fù)雜的坐標(biāo)變換結(jié)合PI控制方式來實(shí)現(xiàn)，

這種控制方式受限于電機(jī)固有的參數(shù)影響，一旦在實(shí)際運(yùn)行過程中參數(shù)受外界干擾而產(chǎn)生變化時(shí)，它的控制性能就會(huì)下降，而采用準(zhǔn)PR控制方法可以解決這種問題．這里采用模糊控制方法對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，優(yōu)化系統(tǒng)魯棒特性．在模糊PI控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用準(zhǔn)PR控制技術(shù)對(duì)PMSM進(jìn)行控制，可以減少外部干擾，達(dá)到提高控制性能的目的。

圖1為模糊PI控制示意圖，由模糊化、模糊推理、反模糊化結(jié)合PI控制器4個(gè)部分組成．要先對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行模糊化處理，其次根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的特性構(gòu)建模糊語句，來進(jìn)行模糊推理，最后經(jīng)過反模糊化進(jìn)行輸出控制。

圖1 模糊PI結(jié)構(gòu)圖

第一步進(jìn)行模糊化處理，需要確定模糊控制的隸屬度函數(shù)，必須要考慮不同時(shí)刻下e、ec兩個(gè)參數(shù)互相的聯(lián)系和影響．根據(jù)參數(shù)特性，取它們的模糊集合論域。

PR控制器又被稱為比例諧振控制器，對(duì)于PMSM的電流環(huán)的控制，采用PR控制器則可減弱參數(shù)受外界干擾而使性能下降的問題?；趥鹘y(tǒng)PI控制和只在速度環(huán)采用模糊PI控制所存在的計(jì)算量較復(fù)雜，抗干擾不明顯等缺點(diǎn)，本文采用模糊PI-準(zhǔn)PR控制方法對(duì)優(yōu)化PMSM控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，仿真結(jié)果表明本文方法可以較好地改善這些問題，模糊PI控制和準(zhǔn)PR控制兩種控制算法的優(yōu)點(diǎn)改善了系統(tǒng)的魯棒性，優(yōu)化了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，同時(shí)電流環(huán)的準(zhǔn)PR控制算法省去復(fù)雜的坐標(biāo)系變換，易于實(shí)現(xiàn)[2]。

4 結(jié)語

研究了參數(shù)辨識(shí)技術(shù)，闡述了激勵(lì)信號(hào)幅值的確定方法，分析了死區(qū)和功率器件壓降對(duì)電機(jī)參數(shù)辨識(shí)的影響；提出了補(bǔ)償方法，基于遞推最小二乘法實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)電阻和電感的辨識(shí)，計(jì)算量小，收斂速度快；通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了辨識(shí)算法的正確性[3-4]．