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)。
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]。
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)。
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]。
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].