基于自適應PID的永磁同步電機電流控制

李玲瑞，許鳴珠，高旭東

(石家莊鐵道大學，石家莊 050043)

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基于自適應PID的永磁同步電機電流控制

李玲瑞，許鳴珠，高旭東

(石家莊鐵道大學，石家莊 050043)

論文提出了基于自適應PID的永磁同步電機電流環控制策略，并將該算法數字化，應用于以DSP TMS320F2812為核心的永磁同步電機數字控制平臺，實現了對永磁同步電機電流環的穩定控制。該算法采用帶遺忘因子的最小二乘法對PID不確定參數進行估計。實驗結果表明，所提方法控制精度高、魯棒性強，方便工程應用，實用價值較高。

永磁同步電機；自適應PID；帶遺忘因子的最小二乘法；電流控制

0 引 言

永磁同步電機(以下簡稱PMSM)控制一般采用雙環結構，內環為電流環，外環為速度環，傳統PID調節是最常用的控制方法[1]。但是，傳統PID參數調節不夠方便，且對于大時滯、時變、非線性或隨機干擾嚴重的系統往往不能得到滿意的控制效果[2]。為了得到良好的動態性能和靜態性能，學者們提出了許多新的控制方法。姜偉等[3]采用模糊PI控制來調節PMSM的速度，模糊控制無需知道被控系統的數學模型，依據以往的控制經驗設計控制器，在線對系統參數進行模糊調整。在文獻中，邵伍周等[4]將單神經元PID調節器和RBF神經網絡結合，實現了參數的在線辨識和轉速的在線控制，模糊算法和神經網絡對模型參數攝動及負載擾動的魯棒性都較強。為了解決傳統PI無法實現解耦而電壓前饋解耦控制策略對參數敏感的問題，文獻[5]提出了基于內模的滑模電流解耦控制策略，利用內模控制策略控制電機解耦模型，保證系統動態響應的速度。但是上述控制方法也都存在一定的不足，例如：模糊控制需要前期的控制經驗，神經網絡的離線訓練需要大量的實驗樣本數據，而內模控制需了解被控對象的精確模型，實現過程非常復雜，實際應用中對硬件要求高，適用面較窄。

為了方便硬件控制的實現，本文提出一種基于自適應PID的控制策略，將自適應控制與經典PID算法相結合，利用帶遺忘因子的最小二乘法在運行過程中實時估計比例系數、積分系數和微分系數，對應用面最廣的經典PID控制器進行在線優化。本文算法使用的自適應PID控制器參數調整簡單，不需要被控對象的精確模型，計算量小，調節速度快，易于在硬件中實現。

1 電流環自適應PID控制器設計

將自適應算法與經典PID控制算法相結合，推導出自適應PID控制算法，使系統在閉環運行狀態下，在線修正算法參數[6-7]。

控制對象的二階慣性加滯后的傳遞函數G(s)和PID控制器的傳遞函數D(s)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

本文設計的自適應PID控制器算法基本步驟如下：

(2) 讀取新的觀測數據y(t)和設定值yr(t),組成回歸向量φT(t-1)=[y(t-1) y(t-2) u(t-L)]；

(5)將參數值賦予自適應PID模塊；

(6)返回步驟(2)，重新開始計算。

基于自適應PID參數自整定控制的原理如圖1所示，屬于隱式自矯正控制器，通過對系統過程中的轉速偏差e(k)、控制輸入u(k)以及實際輸出ym(k)進行不斷的檢測，并將其作為參數利用最小二乘法進行估值以獲得實時的PID參數。

圖1 自適應PID控制原理

2 實驗系統設計

2.1 硬件設計

為了將自適應PID控制器數字化應用，設計了以TMS320F2812為核心的永磁同步電機驅動控制器硬件，包括控制板模塊、功率板模塊、顯示調速模塊，控制器硬件結構如圖2所示。

圖2 控制器硬件結構

硬件系統通過顯示板中設定輸出轉速，輸送給DSP，作為系統的給定速度[8]；控制模塊產生的SVPWM信號經過線性驅動后輸出給驅動模塊，再經過光電隔離進入大功率驅動芯片后將信號傳給IGBT橋型電路，輸出逆變信號給PMSM；檢測電路由霍爾電流傳感器檢測電流輸出波形，信號經過濾波整形調理處理后反饋給DSP芯片的A/D轉換模塊進行運算；正交編碼脈沖電路(QEP模塊)檢測PMSM的編碼器信號作為速度反饋，經信號調理后傳送給DSP，實現電機控制。

2.2 軟件設計

本實驗的開發環境為CCS5.5，開發環境為C語言，采用模塊化編程。程序模塊包括主程序、初始化模塊、斜坡控制模塊、坐標變換模塊、PWM生成模塊、PID模塊等。中斷主要有定時器1下溢中斷服務程序、編碼器計數中斷服務程序。定時器1下溢中斷服務程序為整個程序的核心部分，也是實現電機平穩運行的關鍵。在定時器1下溢中斷中首先讀取Iu,Iv的AD轉換結果，進行坐標變換，對電流環進行控制；通過QEP模塊檢測電機角度，對速度環進行控制，實驗流程圖如圖3所示。

圖3 實驗流程圖

根據本文所提算法和相關原理，實驗采用的PMSM參數如下：Pn=0.2kW，In=7.5A，Tn=0.637N·m,Un=36V, Nn=3 600r/min,p=4。實驗硬件核心是TI公司研發的32位定點高速數字處理器TMS320F2812，最高工作頻率為150MHz，系統的控制周期為50μs。PMSM的控制驅動方式為id=0的電流矢量控制，控制器系統結構如圖4所示。

圖4 永磁同步電機程序結構控制方式

3 實驗結果及分析

永磁同步電機調速傳動系統多采用矢量控制技術，矢量控制實質上就是對電動機定子電流矢量相位和幅值控制。當磁體的勵磁磁鏈和直交軸電感確定后，電動機的轉矩便于通過id,iq來控制。在本文實驗中采用id=0的矢量控制方法,通過如下三種程序結構的控制方式進行對比研究：

(1)d,q軸中均放入自適應PID模塊

圖5 d,q軸均自適應PID控制的速度響應曲線

圖6 電機堵轉現象

(2)d軸為經典PID控制，q軸為自適應PID控制

圖7 自適應PID加經典PID控制的速度響應曲線

(3)d,q兩軸中均用經典PID控制

通過在線調節，設定d,q軸的PID函數模型參數：Kp_id=0.72，Kp_iq=1, Ti_id=0.003 17，Ti_iq=0.003 17，Td_id=0，Td_iq=0。經典PID通過在線調節PID的系數來獲得對永磁同步電機的平穩控制。圖8為經典PID控制的速度響應曲線圖，占空比為 0.4。

圖8 經典PID控制的速度響應曲線

對比圖5和圖7，可以發現d,q軸均采用自適應PID控制與僅q軸采用自適應PID控制的速度響應曲線圖相似，對電機的控制效果相同，但圖7所用的單q軸采用自適應PID控制的方法更加簡單，且沒有堵轉報警現象。對比圖7和圖8，可以發現自適應控制的PMSM的速度響應曲線比PID控制的曲線響應更加平穩，速度波動小，尤其在高速時速度波動幾乎為0，且速度突變時速度過渡更加平緩，自適應性強，能夠較好地延長電機的使用壽命。

4 結 語

本文針對在進行經典PID應用時含有不確定因素的情況，對其參數采用帶遺忘因子的最小二乘法進行參數的自適應估計。通過硬件實驗對比，可以證明該方案可以在不確定PID參數，電機模型未知甚至參數發生變化的情況下，根據具體工況進行參數估計，得到穩定的控制結果，自適應性強，具有很高的工程應用價值。

[1] BOSE B K.Power electronics and variable frequency drives：technology and applications[M].Wiley-IEEE Press,1997.

[2] 梁軍，符雪桐，呂勇哉.自適應PID控制——I.基本原理與算法[J].浙江大學學報，1994,28(5):523-528.

[3] 姜偉，孫軍，裘信國.基于模糊PI控制的PMSM驅動控制系統[J].輕工機械，2015,33(5)：69-72.

[4] 紹伍周，唐忠，蔡智慧，等.基于RBF神經網絡在線辨識的永磁同步電機單神經元PID矢量控制[J].電力科學與技術學報，2007,22(2)：48-52.

[5] 周華偉，溫旭輝，趙峰，等.基于內模的永磁同步電機滑模電流解耦控制[J].中國電機工程學報，2012,32(15)：91-99.

[6] 趙建華，沈勇良.一種自適應PID控制算法[J].自動化學報，2001,27(3)：417-420.

[7] 任勇.一種抗強干擾自適應PID控制算法[D].哈爾濱：黑龍江大學，2012.

[8] 任志斌.電動機的DSP控制技術與實踐[M].北京：中國電力出版社，2012.

Current Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Adaptive PID

LI Ling-rui, XU Ming-zhu,GAO Xu-dong

(Shijiazhuang Railway University,Shijiazhuang 050043,China)

In this paper, the current loop control strategy of permanent magnet synchronous motor based on adaptive PID is proposed, and realizes the digital of the algorithm, and the algorithm is applied to the digital control platform of permanent magnet synchronous motor based on TMS320F2812 DSP. It realizes the stable control of permanent magnet synchronous motor current loop. The algorithm adopts the least square method with forgetting factor for PID parameter uncertainty estimation. The results show that the proposed method has higher control precision and strong robustness as well as high engineering application value and high practical value in the field of motor control.

permanent magnet synchronous motor; adaptive PID; the least square method with forgetting factor; current control

2016-01-12

國家自然科學基金面上項目(11372198)；河北省教育廳科學技術重點項目(ZD20131089)

TM351;TM341

A

1004-7018(2016)10-0058-03

李玲瑞(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為智能檢測技術與控制系統。