永磁同步電機的復合控制及參數自整定研究

于青龍

杭州微光電子股份有限公司 浙江杭州 311100

永磁同步電機作為新的驅動方式得到迅速發展，以高轉速、高效率、運行穩定、結構小型化等優點應用于市場，特別是新能源汽車廣泛使用永磁同步電機。

1 研究概述

永磁同步電動機（PMSM）因具有發熱小、響應快、啟動轉矩大、功率因數高等優點，被很多交流伺服系統作為動力源。PID控制器算法實現簡單、應用范圍廣。但在高精度高、加速度應用領域，需要對普通PID算法進行改進。河海大學的戴衛力等人針對永磁同步電機傳統三環控制，采用結合變結構控制和前饋控制的復合控制策略，提高了響應速度和定位精度；范宇恒、李培林等人針對泵控系統轉速不穩以及負載擾動的問題，提出了一種利用優化后增量式PID與前饋結合的復合控制結構，提高了系統的調速能力以及魯棒性。神經網絡因具有很好的逼近非線性映射能力，較強的魯棒性，在控制領域得到廣泛應用。徐杭東、麥云飛采用單神經元PID自適應控制器，結合Hebb神經網絡學習算法，對電液位置伺服系統進行了控制，實現了PID參數的在線調整，系統穩定性和魯棒性好、動態精度高；FREIREEO等提出了一種適用于非線性動力學的多輸入多輸出自適應神經元PID（AN-PID）控制器，修正了由于機器臂動力學的不確定性和變化而導致的跟蹤誤差，并通過實驗驗證了該控制策略的魯棒性和自適應能力；韓國的CHOCN等人提出了一種基于神經網絡的PID控制器參數更新算法，有效降低了輪廓誤差和跟蹤誤差，提高了加工質量和效率；日本的KENTOK等人針對非線性系統，利用神經網絡設計了非線性PID控制器，在線整定PID參數，并通過仿真和實驗驗證了該控制器的可行性[1]。

2 參數辨識整體方案

利用輸入激勵信號電壓值和輸出電流采樣值，基于遞推最小二乘法可以得到電機的定子電阻和電感。由于死區和功率器件壓降會導致實際施加到電機線圈上的電壓小于理論給定值，影響電機參數辨識的精度，因此需要對輸出電壓差值進行分析和補償。

采用階躍輸入電壓作為電機參數辨識的激勵信號，簡單易于實現，輸入和輸出數據能充分反映系統在各頻段的特性。在實際應用中，可以采用電機定子電流近似達到電機額定電流時的電壓值作為激勵信號的幅值。電機定子線圈的傳遞函數模型可近似為一階慣性環節。伺服系統實際上是一個以主控芯片中斷周期為步長的離散系統，在伺服驅動器控制中，由于無法直接產生恒定的直流電壓，實際上是通過SVPWM調制產生PWM波，施加在逆變器上產生脈沖電壓，進而在電機定子上獲得等效的直流電壓。由于電機的定子電阻值較小，給定的輸入電壓Uα較小，非線性因素帶來的電壓差值不能忽視，對輸出電壓進行準確的補償至關重要。在伺服系統中，逆變器的開關死區和IGBT的導通壓降是影響輸出電壓的2個主要因素。為了簡化仿真過程，在仿真中未進行激勵輸入電壓幅值搜索的過程，直接采用幅值合理的階躍電壓輸入，對應U相穩態電流約為額定電流的1．25倍，對電機U相電流進行采樣，通過MatLab中的M文件，離線地利用遞推最小二乘法實現對電機參數的辨識。

3 PI-準PR對三相永磁同步電機控制系統研究

PMSM本身是具有很強的非線性和復雜的變量耦合關系，為了方便分析，這里用基于轉子同步旋轉坐標d-q軸來進行分析處理。忽略其中的渦流損耗、磁滯損耗。利用傳統PI控制對外界干擾難以到很好的控制效果，如果采用模糊控制方法對PI參數進行動態調整，對非精確模型的情況很好的動態特性，

在外界復雜的環境造成干擾的情況下，能夠保持良好的穩定性。所以在矢量控制中常被用來與傳統PI結合控制PMSM．矢量控制下PMSM的電流環的控制通常采用多次復雜的坐標變換結合PI控制方式來實現，

這種控制方式受限于電機固有的參數影響，一旦在實際運行過程中參數受外界干擾而產生變化時，它的控制性能就會下降，而采用準PR控制方法可以解決這種問題．這里采用模糊控制方法對PI參數進行相應的動態調整，提高系統的響應速度，優化系統魯棒特性．在模糊PI控制的基礎上進一步采用準PR控制技術對PMSM進行控制，可以減少外部干擾，達到提高控制性能的目的。

圖1為模糊PI控制示意圖，由模糊化、模糊推理、反模糊化結合PI控制器4個部分組成．要先對所采集的信號進行模糊化處理，其次根據系統運行的特性構建模糊語句，來進行模糊推理，最后經過反模糊化進行輸出控制。

圖1 模糊PI結構圖

第一步進行模糊化處理，需要確定模糊控制的隸屬度函數，必須要考慮不同時刻下e、ec兩個參數互相的聯系和影響．根據參數特性，取它們的模糊集合論域。

PR控制器又被稱為比例諧振控制器，對于PMSM的電流環的控制，采用PR控制器則可減弱參數受外界干擾而使性能下降的問題?；趥鹘yPI控制和只在速度環采用模糊PI控制所存在的計算量較復雜，抗干擾不明顯等缺點，本文采用模糊PI-準PR控制方法對優化PMSM控制系統進行研究，仿真結果表明本文方法可以較好地改善這些問題，模糊PI控制和準PR控制兩種控制算法的優點改善了系統的魯棒性，優化了系統動態和穩態特性，同時電流環的準PR控制算法省去復雜的坐標系變換，易于實現[2]。

4 結語

研究了參數辨識技術，闡述了激勵信號幅值的確定方法，分析了死區和功率器件壓降對電機參數辨識的影響；提出了補償方法，基于遞推最小二乘法實現了對電機電阻和電感的辨識，計算量小，收斂速度快；通過仿真和試驗驗證了辨識算法的正確性[3-4]．