智能PI算法在永磁同步电动机控制系统中的应用

2011-06-19郭卫杰刘维亭林永才

微特电机 2011年3期

关键词：调节器永磁矢量

郭卫杰，刘维亭，林永才

(1.江苏科技大学，江苏镇江212003;2.张家港合丰机械制造有限公司，江苏苏州215618)

0 引言

当前应用在永磁同步电动机(PMSM)控制系统中的转速调节器是传统PI调节器，虽然具有结构简单的特点，但是用固定的参数处理PMSM系统完整的运行过程，难以实现较好的动态性能。

智能PI算法具有较强的自适应性，控制算法不依赖于对象模型，能够动态地改变控制器的结构和参数，具有较强的鲁棒性［1］。应用智能PI调节器作为PMSM控制系统的转速调节器，可以提升整个系统的动态性能。

本文在MATLAB平台上应用SVPWM算法，搭建永磁同步电动机矢量控制系统的模型，对传统PI转速调节器、智能PI转速调节器的控制系统进行仿真对比，仿真结果表明智能PI调节器控制系统的整体性能优于传统PI调节器控制系统的性能。

1 控制系统模型的建立

在MATLAB的Simulink环境下，利用其丰富的模块库，搭建一个完整的矢量控制系统。整个控制系统包括逆变桥与PMSM模块、坐标变换模块、速度和电流的PI调节器模块、SVPWM模块等模块。

1.1 逆变桥与PMSM模块

逆变桥采用由6个IGBT组成的3相桥电路模块。PMSM模块有4个输入端，1个输出端，其中A、B、C是三相定子绕组输入端，Tm是负载转矩，输出端m输出电机的定子电流、电磁转矩、转子转速、转子位置等。

1.2 坐标变换模块

系统模型中所用到的坐标变换有Clarke变换、Park变换和Park－1变换。仿真模型中需要将定子电流ia、ib、ic变换为id、iq，也就是 Clarke+Park 变换，变换模块如图1所示，Park－1变换也按此方法设计。

图1 Clarke+Park变换

1.3 速度、电流的PI调节器模块

在PMSM控制系统中，传统转速PI调节器模型如图2所示。电流PI调节器按照此模型设计。

1.4 SVPWM 模块

1.4.1 SVPWM 算法原理

三相电压型逆变器共有八种不同的开关状态(000、001、010、011、100、101、110、111，上下桥臂不能同时导通，1表示上桥臂导通，0表示下桥臂导通)，其对应有八种不同的电压矢量。其中000、111对应零电压矢量，其余6种开关状态对应非零电压矢量u1～u6，6个非零电压矢量的模都等于，则可以构成一个等边六边形，并划分为6个扇区，零电压矢量位于坐标O点［2］。如图3所示。

图2 转速PI调节器

图3 电压空间矢量图

在电压空间矢量图上建立r1、r2、r3坐标系，根据它们的关系判断扇区。定义:

当r1＞0时，令A=1;当r2＞0时，令B=1;当r3＞0时，令C=1，取N=A+2B+4C［3］，则可得到N与各扇区的对应关系，如表1所示。

表1 N与扇区号关系

对于任意空间电压矢量us，假设位于第Ⅰ扇区，把它沿相邻的两个空间矢量u1、u2的方向分解成两个分量uref1、uref2，根据平均值等效原理，设PWM的周期为Ts，uref1作用时间为T1，uref2作用时间为T2，零电压矢量作用时间为T0，可得:

空间电压矢量us在αβ坐标系上的投影为uα、uβ［4］，那么可列式:

计算得出:

定义X、Y、Z如下:

那么N与相应矢量的作用时间的关系如表2所示。

表2 N与矢量作用时间关系

T1、T2赋值后，再进行饱和判断，当T1+T2＞Ts时，T1=T1Ts/(T1+T2)，T2=T2Ts/(T1+T2)。最后再进行切换点计算。T=T ba则N与比较器切换点的关系如表3所示。

表3 N与比较器切换点关系

1.4.2 SVPWM 模型建立SVPWM模型如图4所示。

图4 SVPWM模型

1.5 永磁同步电动机控制系统模型的建立控制系统模型如图5所示。

2 仿真参数设置

本系统的永磁同步电动机参数:定子电阻Rs=4.765 Ω，交、直轴的电感Lq=Ld=0.014 H，转子磁链 0.184 8 Wb，转动惯量J=0.000 105 1 kg·m2，极对数p=2。

功率器件IGBT开关频率为10 kHz，仿真时间为0.08 s，给定转速为1 000 r/min，电机空载起动，在t=0.03 s时突加负载Tm=1 N·m。在此条件下得到的仿真波形如图6所示。

图5 永磁同步电动机矢量控制系统模型

图6 传统PI转速调节器下的仿真波形

由转速仿真图6b可看出，转速超调现象比较明显，在t=0.03 s时电机突加负载，电机转子转速回到给定值的时间较长;由定子电流和转子转矩仿真图6a、图6c可看出，电机起动时，定子电流和电磁转矩较大，较大的冲击电流和转矩对电机的损伤比较大。所以需要引入更合理的算法改进这些不足。

3 智能PI调节器

3.1 智能PI调节器的原理与结构

转速的偏差、偏差的微分、偏差的积分分别代表系统输出的当前、将来和过去三种状态。智能型PI调节器结构如图7所示，x1为转速偏差，x1=e;x2为转速偏差的积分，x2=∫edt;x3为实际转速的负微分系统根据这三个值确定的区间确定相应的规则。当偏差较大时，去掉积分环节并调整比例系数KP，使系统以最大的能力消除偏差;当偏差较小时，投入积分环节并在线实时调整比例系数KP和积分系数KI，使系统以最佳过程达到稳态［1］。

图7 智能PI调节器的结构图

3.2 参数调整规则

(1)当x1＞m，m=(10%～20%)n时，说明误差很大，这时只保留比例部分去掉积分部分，调整，使误差以允许的最大速度减小。此时，它相当于实施开环控制。

(2) 当x1＜m，x1x3＜0时，此时x1＞0、x3＜0或x1＜0、x3＞0，表明偏差正在趋近于零，应该削弱比例部分的控制作用，逐步减小KP。

由于KI＞0，故控制器输出的积分部分KIx2与x2同号，当x2＞0、x1＞0时，积分部分产生加速转矩，以减小偏差;而x2＜0、x1＜0时，产生制动转矩，使得实际转速趋近于给定值。因此，当x1x2＞0时，积分部分有利于消除偏差，应增大KI。反之，当x1x2＜0时，积分部分使偏差的绝对值增大，应减小KI［5］。

参数调整规则: