張秋穎，龍 松，張文鋼

（武昌首義學(xué)院，武漢 430064）

0 引言

隨著永磁材料性能的不斷提升和成本的降低，采用永磁材料的各類電機，特別是永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM），已經(jīng)在電動汽車、風(fēng)能開發(fā)、軌道交通、船舶推進等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。針對永磁同步電機的控制技術(shù)，基本是以交流異步電機的控制技術(shù)為基礎(chǔ)，從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，目前主要有矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)兩種，每種控制技術(shù)中涉及的具體控制器基本為經(jīng)典PI控制器[1]。

永磁同步電機是一個多變量、強耦合、時變的非線性系統(tǒng)，應(yīng)用經(jīng)典控制方法對其進行控制，需要做兩方面的簡化：一是為建立電機的數(shù)學(xué)模型，需要對電機的物理模型進行簡化，如假設(shè)繞組對稱分布、磁場沿氣隙圓周呈正弦分布，忽略鐵心損耗、磁滯損耗和電機參數(shù)變化等；二是在控制器設(shè)計中需要對系統(tǒng)進行簡化，如忽略系統(tǒng)的高次項、小慣性環(huán)節(jié)的近似處理等[2]?；谏鲜龊喕O(shè)計出的控制器存在繼續(xù)優(yōu)化的空間。

智能控制技術(shù)的發(fā)展為永磁同步電機的控制帶來了新思路，如文獻[3]將模糊PI方法引入永磁同步電機的位置環(huán)控制，分析了模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成以及實現(xiàn)方法；文獻[4]針對永磁同步電動機抖振問題，提出了一種具有消抖作用的高階滑?？刂扑惴?。本文主要研究智能控制技術(shù)中一類重要的控制技術(shù)——仿人智能控制在永磁同步電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，以期能為永磁同步電機的控制系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 永磁同步電機數(shù)學(xué)模型和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機 dq轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系理想動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：

式中，ud、uq—電機定子電壓dq軸分量；id、iq—電機定子電流dq軸分量；ψd、ψq—電機定子磁鏈dq軸分量；ψf—電機定子繞組一相永磁磁鏈幅值；Ld、Lq—電機定子dq軸勵磁電感；R1—電機定子繞組一相電阻；p—微分算子；ω—電角速度；Te—電磁轉(zhuǎn)矩；T1—折算到電機軸端的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J—整個機械負(fù)載系統(tǒng)折算到電機軸端的轉(zhuǎn)動慣量；np—極對數(shù)。

基于上述數(shù)學(xué)模型，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示[2]。

圖1 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中，ASR為速度控制器，ACR為電流控制器，一般用工程設(shè)計方法將控制器設(shè)計為典型PI控制器。此種設(shè)計方法優(yōu)點是理論成熟、設(shè)計簡單，缺點是建模和控制器設(shè)計中做了一系列簡化處理，即沒有充分利用控制系統(tǒng)的特征信息，控制效果有待進一步提高。

2 仿人智能控制的原理和設(shè)計

在實際的控制過程中人們發(fā)現(xiàn)：在得到必要的操作訓(xùn)練后，由人實現(xiàn)的控制方法是接近最優(yōu)的，這個方法不需要了解控制對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也不需要最優(yōu)控制專家的指導(dǎo)。人的控制活動反映了人腦的高超思維、決策和控制能力，仿人智能控制即以模擬人腦宏觀結(jié)構(gòu)和行為功能為基礎(chǔ)。仿人智能控制的基本思想是在控制過程中利用計算機模擬人的控制行為功能，最大限度地識別和利用控制系統(tǒng)動態(tài)過程的特征信息，進行啟發(fā)和直覺推理，從而實現(xiàn)對非精確數(shù)學(xué)模型控制對象的有效控制。

針對永磁同步電機，仿人智能控制器的設(shè)計思想為：當(dāng)系統(tǒng)誤差較大時，控制器輸出為最大或最小，以盡快減小誤差；當(dāng)系統(tǒng)進入穩(wěn)定區(qū)域時，系統(tǒng)在慣性作用下趨向平衡點，控制器采用保持控制，即控制器輸出不變，以釋放系統(tǒng)的慣性能量，防止造成超調(diào)；若系統(tǒng)離開穩(wěn)定區(qū)域，超調(diào)不可避免時，采用正反饋控制器減小超調(diào)；在其它情況下，采用經(jīng)典PI控制器或PID控制器。

基于上述思想，得控制規(guī)則如下：

3 仿真驗證

取永磁同步電機的主要參數(shù)如下表。

表1 永磁同步電機主要參數(shù)

建立永磁同步電機轉(zhuǎn)速矢量控制模型，如圖2所示。ASR、ACR為采用工程設(shè)計法設(shè)計的經(jīng)典PI控制器，電機空載起動，0.1 s時加載5 N·m，取額定轉(zhuǎn)速為2000 r/min，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型

圖3 經(jīng)典PI控制器仿真結(jié)果圖

應(yīng)用仿人智能方法設(shè)計ASR速度控制器，控制器相關(guān)參數(shù)如下表。仿真結(jié)果如圖4-7所示。

表2 仿人智能控制器參數(shù)

圖4 仿人智能控制器仿真結(jié)果圖

圖5 轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果局部放大對比圖

從圖5可以看出，與經(jīng)典PI控制器相比，仿人智能控制器控制的轉(zhuǎn)速波動小，在負(fù)載變化時，恢復(fù)時間短，動態(tài)擾動?。挥蓤D6、7可知，仿人智能控制器的iq波動小，id基本相同，由式(1)中轉(zhuǎn)矩方程可知，在id相同的情況下，轉(zhuǎn)矩與iq成正比，iq波動小時，轉(zhuǎn)矩波動小，進而轉(zhuǎn)速波動小，這與圖5是對應(yīng)的。

圖6 q軸電流分量仿真結(jié)果局部放大對比圖

圖7 d軸電流分量仿真結(jié)果局部放大對比圖

4 結(jié)束語

仿人智能控制的優(yōu)點是設(shè)計簡單，只需要幾條規(guī)格，即可設(shè)計出較好的控制器，缺點也是明顯的，這幾乎也是所有智能控制技術(shù)的共有缺點，即智能控制技術(shù)目前還沒有形成類似經(jīng)典控制那樣的完整的理論體系，控制器的參數(shù)設(shè)計、穩(wěn)定性分析、參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系等沒有嚴(yán)格的理論分析，只能通過經(jīng)驗、試湊等方法進行設(shè)計。建立完整的理論體系，這是仿人智能控制技術(shù)和其它智能控制技術(shù)今后的研究目標(biāo)。