模糊自適應控制在永磁同步電機控制系統中的應用研究

張 叢,胥 良,朱禹杭

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

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模糊自適應控制在永磁同步電機控制系統中的應用研究

張 叢,胥 良,朱禹杭

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

目前,大多數的控制系統都是非線性的,傳統的PI控制雖然結構簡單,不受控制對象的影響,但在一定程度上受到了局限性。而模糊控制適用于非線性系統,可根據模糊量來對系統進行精確控制。結合這兩種方法的優點,提出了模糊PI自適應控制,并將其應用在永磁同步電機調速控制系統中,根據不同的情況自動調節控制器參數。經MATLAB建模仿真,驗證了模糊PI自適應控制能提高系統的動態穩定性與魯棒性。

永磁同步電機;模糊自適應PI控制器;MATLAB

電動汽車驅動控制系統要求控制精度高,可靠性強等優越的性能,這使它成為了控制系統的核心[1]。永磁同步電機(PMSM)體積小,重量輕,轉子無發熱問題,具有損耗低、電氣時間常數小、響應快等特點,因此永磁同步電機已大量應用于電動汽車控制系統中[2]。但由于永磁同步電機存在非線性,外界干擾等因素,傳統的PI控制不能達到滿意的控制效果。而模糊控制不受被控對象的影響,是利用人的思維與經驗,通過模糊邏輯推理系統實現 PI 控制器參數的在線調節,從而使系統具有超調量小,魯棒性、自適應性強和調節時間短的優點[3]。所以本文提出使用模糊自適應PI控制器,根據外界因素的變化來不斷改變PI調節中的比例和積分增益[4]，實現對永磁同步機的控制。

1 PMSM的數學模型

在dq坐標系中,定子電壓方程為:

ud=Rsid+pψd-ωψquq=Rsiq+pψq+ωψd

(1)

式中：Rs為定子繞組電阻,p為微分算子,ψ為磁鏈,ω為角速度。

定子磁鏈方程為:

ψd=Ldid+ψfψq=Lqiq

(2)

式中：ψf為定子上耦合磁鏈,L為電感。

電磁轉矩方程為:

Te=pm[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(3)

式中：pm為極對數。

2 矢量控制策略

目前，矢量控制策略主要有id=0的控制、cosφ=1的控制、最大轉矩電流比控制和恒磁鏈控制[5]。cosφ=1的控制過程中磁鏈會隨著負載變化而變化,降低了電機功率系數；最大轉矩電流比控制方法隨著轉矩增加,電機端電壓會升高,致使功率因素下降；恒磁鏈控制雖然功率因素高,但會限制最大輸出轉矩[6]；id=0的控制方法,可使直軸電流id分量為0,并通過交軸電流iq來進行控制[7]，這種方法有較寬的調速范圍、能夠在很小電流情況下獲得很大的轉矩,使控制更加方便準確。所以,id=0成為了矢量控制的首選方案。

在這種控制模式下定子電壓方程為:

ud=ωψquq=Rsiq+pψq+ωψd

(4)

電磁轉矩方程為:

Te=pmψfiq

(5)

通過上述可以看出,對轉矩的控制可以通過控制電流來實現。在控制過程中，可對轉速、位置還有三相電流進行采集。內環為電流環,外環為速度環。有坐標變換模塊、SVPWM發生模塊、PI調節、模糊自適應PID調節等共同完成對永磁同步電機速度的閉環調節[8]。控制系統如圖1所示。

圖1 PMSM控制系統

3 模糊控制原理

模糊控制系統一般由定義變量、模糊化、數據庫和規則庫、模糊推理決策、解模糊5部分組成[9]。控制系統原理圖如圖2所示。

圖2 模糊控制原理圖

用E代表輸入的轉速誤差,EC代表轉速誤差變化率。輸出變量的P、I修正ΔKP、ΔKI。模糊控制規則如表1所示。其中，NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。隸屬度函數如圖3所示。

表1 ΔKP規則表規則表

圖3 隸屬度函數

在MATLAB中建立模糊控制模型,所設計模糊控制器輸出控制曲面如圖4所示。

圖4 ΔKp 輸出控制曲面

4 模型建立與仿真

在MATLAB中建立的仿真模型如圖5所示,設定子電阻Rs=2.875 Ω,Ld=Lq=8.5×10-3H,轉子磁鏈為ψf=0.175 Wb,轉動慣量J=0.008 kg·m2,給定的轉速為300 rad/s,空載啟動。

為了方便觀察,在t=0.1 s時負載突增到4 N·m,并與同條件下的PI控制進行了對比。

轉速、轉矩及三相輸出電流波形如圖6、7、8所示。

由圖6～8可明顯看出,模糊自適應PI控制比傳統PI控制的響應速度快,干擾小,穩定性高,尤其在突加負載后,模糊控制幾乎不存在干擾,并>且能很快對系統進行調節,快速的恢復到穩定狀態。可見,本文模糊自適應PI調節器能更好地對永磁同步電機調速系統進行控制,滿足實驗及實際應用要求。

圖6 轉速曲線

圖5 仿真模型

圖7 三相輸出電流波形

圖8 轉矩曲線

5 結 語

本文在重點討論PI控制與模糊控制優缺點基礎上,提出了優于兩種控制的PI模糊自適應控制,并通過仿真試驗證明,該模糊自適應控制比傳統PI調節有更快的響應速度,仿真曲線平滑,振動小,超調量小,有較好的跟隨性與抗干擾性。而且使用模糊自適應PI調節器能更好地提高系統的穩定性與魯棒性,所以,其應用在電動汽車永磁同步電機調速系統中予計會有更廣闊的發展前景。

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(責任編輯 郭金光)

Application of fuzzy adaptive control in permanent magnet synchronous motor control system

ZHANG Cong, XU Liang, ZHU Yuhang

(School of Electrical & Control Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

At present, most of the control systems are nonlinear. Although the traditional PI control structure is simple, without being affected by the influence of control object, it is limited to some extent. Fuzzy control is, however, suitable in nonlinear system, which can be precisely controlled according to fuzzy quantity.The advantages of combining these two methods, this paper proposed the fuzzy PI adaptive control which was applied in the permanent magnet synchronous motor speed control system to automatically adjust controller parameters under different conditions. Through MATLAB modeling simulation, the fuzzy PI adaptive control is verified to succeed in improving dynamic stability and robustness of the system.

PMSM; fuzzy adaptive PI controller; MATLAB

2015-09-07。

張 叢(1990—),女，碩士研究生，研究方向為礦山電力傳動與控制。

TP273; TM341

A

2095-6843(2016)02-0165-04