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        改進(jìn)永磁同步電機(jī)無速度傳感器控制仿真

        2021-03-07 03:17:34朱國慶
        裝備維修技術(shù) 2021年46期
        關(guān)鍵詞:矢量控制模糊控制

        摘 ?要:在永磁同步電機(jī)(PMSM)精確控制的場合,需要安裝位置傳感器來得到轉(zhuǎn)子的位置信息。為了降低成本,減小測速帶來的干擾,提高系統(tǒng)可靠性,對PMSM采用無速度傳感器控制。基于PMSM本身數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)控制策略,實(shí)現(xiàn)了PMSM的速度估計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)良好的抗干擾和跟蹤性能,提出了模糊PI模型參考自適應(yīng)速度估計(jì)方法。仿真結(jié)果表明,該方法可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的無速度傳感器控制,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的正確估計(jì)。

        關(guān)鍵詞:PMSM;矢量控制;磁場定向;無速度傳感器:模型參考自適應(yīng);模糊控制

        中圖法分類號:TP391 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        引言

        PMSM采用全封閉結(jié)構(gòu),損耗少,效率高,省去了齒輪箱,可靠性大大提高,極大節(jié)約了電機(jī)維護(hù)的人力和時(shí)間[1]。我國又是“稀土王國”,盛產(chǎn)永磁材料。因而作為機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換器件,PMSM脫穎而出在工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域,交通運(yùn)輸、油田和冶金系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用[2]。

        隨著PMSM 的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,對PMSM運(yùn)行性能的要求越來越苛刻,對PMSM的控制提出了更高的要求。傳統(tǒng)的PMSM控制大多采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法,這需要在PMSM轉(zhuǎn)子上安裝精度高的編碼器來檢測轉(zhuǎn)子的位置,這增加了PMSM系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和系統(tǒng)成本。因此,無速度傳感器控制方法被大量學(xué)者研究。常用的速度估計(jì)控制方法包括注入高頻信號法,狀態(tài)觀測器法,滑模觀測器法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法[3]。

        本文基于PMSM的本身模型,建立了參考模型和可調(diào)模型,實(shí)現(xiàn)了無速度傳感器控制。通過PI參數(shù)的在線調(diào)整,提出了模糊PI控制策略。對比分析了該控制方案的優(yōu)越性。

        1 在dq坐標(biāo)系下的模型參考自適應(yīng)控制

        在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,表貼式三相PMSM采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制時(shí)的模型為:

        作者簡介:朱國慶(1972 -),男,安徽安慶人,大學(xué)本科,工程師,主要研究方向:控制技術(shù)、物流技術(shù)改造。

        (1)

        其中

        (2)

        式中:q、d下標(biāo)表示交軸、直軸分量,i表示定子電流,u表示定子電壓,Rs為定子電阻, 表示定子磁鏈, 為交軸、直軸電感, 為永磁體磁鏈,p為微分算子, 為轉(zhuǎn)子電角速度。

        將式(2)代入式(1)得電流方程的形式為:

        (3)

        首先定義如下:

        (4)

        對式(3)作出進(jìn)一步的變形

        (5)

        式(5)可以表達(dá)為狀態(tài)空間的形式,即

        (6)

        狀態(tài)空間表達(dá)式式(6)中包含轉(zhuǎn)子速度的信息,是轉(zhuǎn)速辨識(shí)的基礎(chǔ)。將三相PMSM本體作為參考模型,將式(6)作為可調(diào)模型,其中 為要辨識(shí)的參數(shù)[4、5]。

        對式(6)用估計(jì)值表示,得到:

        (7)

        在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,廣義的電流誤差定義為:

        將式(6)和式(7)兩式相減得到:

        (8)

        上式中

        轉(zhuǎn)速估計(jì)依據(jù)波波夫穩(wěn)定理論,選擇常規(guī)PI自適應(yīng)控制器,可得估計(jì)速度式為:

        (9)

        其中 為常規(guī)PI調(diào)節(jié)器的比例與積分系數(shù)。

        由(9)式積分可得到位置的估計(jì)為: 。轉(zhuǎn)子速度和位置估計(jì)框圖見圖1。

        2 模糊PI的速度估計(jì)

        PMSM運(yùn)行在負(fù)載不同和轉(zhuǎn)速改變的過程時(shí),控制對象都是實(shí)時(shí)改變的。傳統(tǒng)的PI控制器只能依靠經(jīng)驗(yàn),采用固定的 參數(shù),不易使控制品質(zhì)達(dá)到最優(yōu)。為能在線實(shí)時(shí)地調(diào)整控制器參數(shù),為提高控制系統(tǒng)性能,模糊PI自適應(yīng)控制策略被提出來,設(shè)計(jì)PMSM的無速度傳感器控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速估計(jì)。

        模糊控制是智能控制中的一種,它有快速的響應(yīng)能力和較強(qiáng)的抗干擾能力,又有較好的穩(wěn)定精度。模糊PI自適應(yīng)控制根據(jù)偏差e與e的變化率,對傳統(tǒng)PI控制中的 參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整,更好地抑制系統(tǒng)的振蕩和超調(diào)。根據(jù)需要選擇電流誤差值 和誤差變化率 作為輸入變量,以比例積分控制的參數(shù)變化量 、 作為輸出變量。如圖2所示為具體的結(jié)構(gòu)控制圖。

        將輸入和輸出的變化范圍定義為模糊集上的論域, 、 和 、 的論域都取為:

        {-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}

        設(shè)輸入(用e、ec表示)和輸出的隸屬度函數(shù)曲線為三角形,語言變量的隸屬度函數(shù)表示為{NB、NM、NS 、ZE、PS 、PM、PB},如圖3所示。

        利用加權(quán)平均法實(shí)現(xiàn)反模糊化,表達(dá)式為:

        (10)

        實(shí)際的輸出控制量用x0與量化因子相乘得到。

        3仿真實(shí)驗(yàn)

        在Matlab/Simulink中,建立PMSM在d-q坐標(biāo)系下的仿真模型進(jìn)行轉(zhuǎn)速估計(jì)。仿真對比了傳統(tǒng)PI和模糊PI的系統(tǒng)控制性能,仿真中PMSM的參數(shù)為表3所示:

        仿真中,設(shè)定PMSM在0s空載啟動(dòng),設(shè)定轉(zhuǎn)速為同步速750r/min,在0.2s時(shí)調(diào)速為600r/min,如圖4(a)所示。從圖4(b)是采用常規(guī)PI誤差圖知,在調(diào)速的動(dòng)態(tài)過程中轉(zhuǎn)速誤差出現(xiàn)了50r/min的波動(dòng),調(diào)整時(shí)間達(dá)到20ms。圖4(c)是采用模糊PI的控制算法,在相同的調(diào)速情況下,轉(zhuǎn)速誤差出現(xiàn)了20r/min的波動(dòng),調(diào)整時(shí)間約為8ms,調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量都有較大的改善,估計(jì)轉(zhuǎn)速能很好跟隨實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化。

        如圖5(a)所示,電機(jī)在600r/min空載啟動(dòng),在0.2s時(shí)加負(fù)載4N·m,采用常規(guī)PI控制的轉(zhuǎn)速誤差圖5(b)知,在負(fù)載突變的動(dòng)態(tài)過程中轉(zhuǎn)速誤差達(dá)到了62r/min的波動(dòng),調(diào)整時(shí)間為15ms。采用模糊PI的控制算法時(shí),在相同的負(fù)載變化情況下,圖5(c)中顯示轉(zhuǎn)速誤差為21r/min,調(diào)整時(shí)間約為5ms,通過模糊PI的控制算法使系統(tǒng)的抗干擾性能得到很大的提高。

        4 ?結(jié)論

        本文在同步速坐標(biāo)系模型中,提出了模糊PI模型參考自適應(yīng)控制方法,且建立了基于Matlab/Simulink的仿真數(shù)學(xué)模型。仿真對比結(jié)果表明模糊PI控制方法跟隨性和抗干擾性都更優(yōu)越。

        參考文獻(xiàn)

        [1]許柯.永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速模式切換研究及控制器設(shè)計(jì)[D].碩士學(xué)位,華南理工大學(xué)2020.

        [2]鄭飛,吳欽木.基于模糊PI的永磁同步電機(jī)矢量控制[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2021年第1期:7-11.

        [3]魏釩.永磁同步電機(jī)無傳感器控制技術(shù)研究[D].碩士學(xué)位,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2020.

        [4]吳偉.永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制策略研究[D].碩士學(xué)位,江蘇科技大學(xué)2020.

        [5]袁雷,胡冰新,魏克銀等.現(xiàn)代永磁同步電機(jī)控制原理及仿真[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2016.

        [6]朱云國,闞超豪.無刷雙饋發(fā)電機(jī)模糊PI無速度傳感器控制研究[J].太陽能學(xué)報(bào)2016,37(2)282-289

        作者簡介:

        朱國慶(1972 -),男,安徽安慶人,大學(xué)本科,工程師,主要研究方向:控制技術(shù)、物流技術(shù)改造。

        3788500589215

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