多相永磁電機H橋形變頻調速系統的模糊控制

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要求輸出較大的功率和轉矩，若電力系統采用低電壓，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計方案上解決。因此，大功率永磁同步推進電動機系統宜采取“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，易于實現低電壓，大轉矩。

1 方波永磁同步電動機的基本理論及基于H橋形拓撲結構的控制方式

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，它具有旋轉的磁場和固定的電樞。這樣，電子換向線路的功率開關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生的氣隙磁通始終正交，在電動機內，必須裝有一個位置傳感器，用來檢測轉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橋形電機系統的拓撲結構和運行原理

圖1為方波永磁同步電動機相繞組結構圖，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。當轉子處于30°時，B相繞組電流截止，A相繞組正向導通，當轉子轉到90°時，C相繞組電流截止，B相繞組正向導通，當轉子轉到150°時，A相繞組電流截止，C相繞組正向導通，當轉子轉到210°時，B相繞組電流截止，A相繞組反向導通，到270°時，C相繞組電流截止，B相繞組反向導通。

當轉子轉到330°時，A相繞組電流截止，C相繞組反向導通，當轉子再次處于30°時，B相繞組電流截止，A相繞組正向導通，這樣完成了完整的一轉。重復以上過程，使電動機旋轉下去。

2 基于參數自調整的模糊控制在永磁同步電動機控制系統中的應用

現在的調速系統一般采用雙環控制，同時對電流和速度進行調節，通常內環為電流環，外環為速度環，相應的調節器為電流調節器和速度調節器，如圖2所示。調節器常用的控制方式有常規PID控制，滑模變結構控制，模糊控制，神經網絡控制，模糊－PI控制，模糊神經網絡控制等[3][4]。但算法簡單實用、性能優良、實時性好的參數自整定模糊智能控制器仍舊是目前大功率控制系統中較好的選擇[5]。

參數調整器是參數自調整的模糊控制器的核心，它根據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進行在線調整。參數調整器的輸入為偏差和偏差的變化率，利用一組根據一般經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 系統實驗及仿真結果

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

系統在1.2 s突加1000 Nm負載，轉速設定為180 r/min，下圖是PI-FCBPSA控制方式下轉速、電流、轉矩變化的仿真波形。

PI-FCBPSA控制方式下，轉速略有超調，幾乎不變，保持給定轉速，電機輸出電磁轉矩隨著負載轉矩變化而變化。 結果顯示控制器對外部（負載）擾動和給定轉速變化具有較快的動態響應，這是由于當誤差較大時，積分因子中的模糊規則中輸出較小的值。較固定積分系數更有利于抑制超調，實現了對給定變化及負載變化的自適應控制。仿真結果表明，參數自整定模糊控制器比傳統的控制器具有更強的魯棒性和更好的動態性能，因此參數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。

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控制靠近設定速度時，速度響應較慢，PI-FC控制穩態時存在穩態誤差，PI-FCBPSA控制起動時的轉速波形最好，快速無超調,有較好的動態響應，特別是抗干擾的適應性要好一些。

4 結語

從直流電動機的基本理論出發，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矩表達式，分析對比了其脈動轉矩的大小。

由一般雙環PI控制的局限出發，引入了模糊控制，介紹了模糊控制的基本原理，提出了基于參數自調整模糊控制器，使模糊控制器的控制規則可以隨控制對象、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．現代控制技術在電力系統控制中的應用(一)．中國電機工程學報，1998．

[4]吳捷，劉永強，陳巍．現代控制技術在電力系統控制中的應用(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．