多相永磁電機H橋形變頻調(diào)速系統(tǒng)的模糊控制

黃允燦

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

由于電力推進永磁電機系統(tǒng)要求輸出較大的功率和轉(zhuǎn)矩，若電力系統(tǒng)采用低電壓，則其工作電流必然很大，電機繞組和逆變器的設(shè)計均受到電流的限制，要解決大電流問題，必須從永磁同步電機和逆變器設(shè)計方案上解決。因此，大功率永磁同步推進電動機系統(tǒng)宜采取“多相、多極”方案。同時采用多相化可以有效的抑制力矩波動，獲得平滑的力矩輸出，易于實現(xiàn)低電壓，大轉(zhuǎn)矩。

1 方波永磁同步電動機的基本理論及基于H橋形拓撲結(jié)構(gòu)的控制方式

1.1 方波永磁同步電機的基本工作原理

方波永磁同步電動機，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞。這樣，電子換向線路的功率開關(guān)元件就直接與電樞繞組連接。同樣為保證電樞磁動勢與永磁體產(chǎn)生的氣隙磁通始終正交，在電動機內(nèi)，必須裝有一個位置傳感器，用來檢測轉(zhuǎn)子在運行過程中的位置，它與電子換向線路一起，代替了有刷直流電動機的機械換向裝置。

1.2 三相H橋形電機系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)和運行原理

圖1為方波永磁同步電動機相繞組結(jié)構(gòu)圖，圖3為方波永磁同步電動機相繞組的反電勢及電流波形，電樞繞組只在氣隙磁通的平頂部分通有電流，各相繞組電流之間相差60°電角度。當轉(zhuǎn)子處于30°時，B相繞組電流截止，A相繞組正向?qū)ǎ斵D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到90°時，C相繞組電流截止，B相繞組正向?qū)ǎ斵D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到150°時，A相繞組電流截止，C相繞組正向?qū)ǎ斵D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到210°時，B相繞組電流截止，A相繞組反向?qū)ǎ?70°時，C相繞組電流截止，B相繞組反向?qū)ā?/p>

當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到330°時，A相繞組電流截止，C相繞組反向?qū)ǎ斵D(zhuǎn)子再次處于30°時，B相繞組電流截止，A相繞組正向?qū)ǎ@樣完成了完整的一轉(zhuǎn)。重復以上過程，使電動機旋轉(zhuǎn)下去。

2 基于參數(shù)自調(diào)整的模糊控制在永磁同步電動機控制系統(tǒng)中的應用

現(xiàn)在的調(diào)速系統(tǒng)一般采用雙環(huán)控制，同時對電流和速度進行調(diào)節(jié)，通常內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)，相應的調(diào)節(jié)器為電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器，如圖2所示。調(diào)節(jié)器常用的控制方式有常規(guī)PID控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，模糊－PI控制，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等[3][4]。但算法簡單實用、性能優(yōu)良、實時性好的參數(shù)自整定模糊智能控制器仍舊是目前大功率控制系統(tǒng)中較好的選擇[5]。

參數(shù)調(diào)整器是參數(shù)自調(diào)整的模糊控制器的核心，它根據(jù)偏差與偏差的變化率，依靠普通模糊控制器對基本模糊控制器的參數(shù)進行在線調(diào)整。參數(shù)調(diào)整器的輸入為偏差和偏差的變化率，利用一組根據(jù)一般經(jīng)驗選定的固定的量化因子KEO,KEC0對輸入的偏差E和偏差的變化率EC進行量化取整，得到輸入的偏差和偏差的變化率在模糊論域上的一組值。

3 系統(tǒng)實驗及仿真結(jié)果

H橋形拓撲結(jié)果電機系統(tǒng)PI-PI電流控制、PI-FC（常規(guī)模糊控制）控制與PI-FCBPSA（參數(shù)自整定模糊控制）控制仿真結(jié)果的比較 。

系統(tǒng)在1.2 s突加1000 Nm負載，轉(zhuǎn)速設(shè)定為180 r/min，下圖是PI-FCBPSA控制方式下轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)矩變化的仿真波形。

PI-FCBPSA控制方式下，轉(zhuǎn)速略有超調(diào)，幾乎不變，保持給定轉(zhuǎn)速，電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩隨著負載轉(zhuǎn)矩變化而變化。 結(jié)果顯示控制器對外部（負載）擾動和給定轉(zhuǎn)速變化具有較快的動態(tài)響應，這是由于當誤差較大時，積分因子中的模糊規(guī)則中輸出較小的值。較固定積分系數(shù)更有利于抑制超調(diào)，實現(xiàn)了對給定變化及負載變化的自適應控制。仿真結(jié)果表明，參數(shù)自整定模糊控制器比傳統(tǒng)的控制器具有更強的魯棒性和更好的動態(tài)性能，因此參數(shù)自整定控制具有很好的應用價值，尤其對于復雜的難以建模的系統(tǒng)。

通過圖 4和圖 5的起動波形的比較可以看出，PI-PI控制與 PI-FC控制響應速度較快，但PI-PI控制靠近設(shè)定速度時，速度響應較慢，PI-FC控制穩(wěn)態(tài)時存在穩(wěn)態(tài)誤差，PI-FCBPSA控制起動時的轉(zhuǎn)速波形最好，快速無超調(diào),有較好的動態(tài)響應，特別是抗干擾的適應性要好一些。

4 結(jié)語

從直流電動機的基本理論出發(fā)，分析了方波永磁同步電動機的基本工作原理，在一定的假設(shè)條件下推導了三相和十二相方波永磁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式，分析對比了其脈動轉(zhuǎn)矩的大小。

由一般雙環(huán)PI控制的局限出發(fā)，引入了模糊控制，介紹了模糊控制的基本原理，提出了基于參數(shù)自調(diào)整模糊控制器，使模糊控制器的控制規(guī)則可以隨控制對象、控制過程的改變而實時的改變，具有更強的魯棒性。為發(fā)展電力推進特別是軍用艦艇綜合電力推進提供了有力的技術(shù)支持。

[1]Rachid Ibtiouene, Bernard Laporte. Steady-state torque analysis of a brushless direct current motor with permanent magnets. Electric Machines and Power Systems, 1999, 27:11-23.

[2]Yoon Ho Kim,Yoon Sang Kook, Yo Ko．A new technique of reducing torque ripple for BLDCM drives. IEEE Trans on Ind. Appl, 1997,44(5):735-739．

[3]吳捷，劉永強，陳巍．現(xiàn)代控制技術(shù)在電力系統(tǒng)控制中的應用(一)．中國電機工程學報，1998．

[4]吳捷，劉永強，陳巍．現(xiàn)代控制技術(shù)在電力系統(tǒng)控制中的應用(二)．中國電機工程學報，1998．

[5]李友善，李軍．模糊控制理論及其在過程控制中的應用．清華大學出版社，1996．