基于矢量变换以及模糊PI控制的永磁同步电机 控制系统研究

于淼

摘  要：为了解决永磁同步电机在复杂环境下转矩脉动大，转速响应速度慢的问题，根据永磁同步电机的数学模型，设计了一种模糊PI控制系统，并采用电流转速双闭环的矢量变换控制方法驱动永磁同步电机。经分析仿真实验结果可知：该控制系统解决了传统PI控制器存在的转速超调量大;转速响应慢;转矩脉动大等问题，有良好的动静态特性。

关键词：永磁同步电机;模糊PI;矢量变换;转矩脉动

中图分类号：TM341         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）06-0030-03

1 概述

永磁同步电机凭借其自身体积小，调速范围广，抗干扰能力强，高效率等优点被人类广泛应用于新能源领域，但因永磁同步电机数学模型复杂，其控制方法一直是一个难点。传统PI控制系统虽然在一定程度上可控制永磁同步电机，但存在转速控制效果精度低，转矩脉动大等问题，大大的限制了永磁同步电机的应用。文献[1]设计了一种永磁同步电机模糊控制系统，并制定了完整的模糊控制规则，解决了常规PID控制系统转矩脉动大的问题，但转速响应不明显;文献[2]搭建了一种模糊PI控制系统，增强了控制系统的鲁棒性，但转矩脉动较大;文献[3]设计了永磁同步电机转速伺服系统鲁棒控制器，达到了良好的电机控制效果，但转速响应不足;文献[4]建立了永磁同步电机模糊PID 参数自整定控制系统，该控制系统可自行调整PID参数，提高了控制系统的灵活性，但转速控制精度较低。

本文提出了一种基于矢量变换以及模糊PI控制的永磁同步电机控制系统，设计了模糊PI控制系统，并采用电流环+转速环的双闭环矢量控制系统，并通过matlab/simulink进行了仿真分析，并与传统PI控制系统的实验结果进行了对比，结果表明，该控制系统有效的提高了永磁同步电机的转速响应，降低了转矩脉动。

2 永磁同步电机数学模型分析

在分析永磁同步电机数学模型的过程中，忽略铁芯饱和现象;忽略电机绕组漏感;转子绕组无阻尼;不计涡流和磁滞损耗;忽略磁场的高次谐波;定子绕组的电流在气隙中只产生正弦分布的磁势。永磁同步电机在d-q坐标系的数学模型如下。

3 矢量变换以及模糊PI控制系统

3.1 模糊PI控制的原理及结构

模糊PI控制是依据模糊集合思想、模糊逻辑以及模糊语言，将实际结果转化为机器指令，从而实现智能控制。模糊控制器由四部分组成，其中模糊化输入量的过程是将转速偏差e与转速偏差变化率转换到论域，实现输入量模糊化;数据库则是给予处理模糊数据的方式并交代控制规则，采用“if-then”语句描述模糊控制规则，模糊规则决定了控制器的性能;模糊推理是根据模糊控制规则来获得合适的调节量;去模糊化则是将模糊推理得到的调节量变成论域范围内的清晰量，再变化成实际的控制量，如图1所示。

该控制系统根据充分的专家经验，将电机转速偏差e与转速偏差变化率ec作为模糊PI控制器的输入PI参数Kp、Ki，根据不同的e与ec输出不同的参数，达到实时调整PI参数的目的。这种在线修改PI参数的方法大大的提高了永磁同步电机的控制系统的自适应能力，提高系统静态以及动态特性，提升控制效果，模糊PI控制系统的具体结构如图2所示。

3.2 模糊规则的制定

模糊规则的好坏决定了模糊PI控制系统的性能，因此，制定精准的模糊规则是重中之重。在电流与转速双闭环控制结构中的转速环加入模糊控制器，根据转速偏差e与ec的大小，将e与ec模糊化处理，定义e和ec模糊子集为{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}对应{正大、正中、正小、零、负小、负中、负大}，处理完毕后将模糊子集映射到控制变量实际可取的取值范围[-6，6]上，即论域[-6，6]。将模糊PI控制器输出的参数Kp、Ki作为PI控制器的修正输入量再次进入控制系统，定义其模糊子集为{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}对应{正大、正中、正小、零、负小、负中、负大}，经过反模糊化处理后将其论域映射到[-6，6]上，得到其模糊规则，具体模糊规则如图3、4。

4 仿真分析

为了验证该控制系统对于永磁同步电机的控制效果，在matlab/simulink中分别搭建了模糊PI控制系统与传统PI控制系统，设置永磁同步电机的额定参数为：电机电阻R=2.875，交直轴定子电感均为0.0085H，电机转动惯量J=0.0008kg·m2，电机极对数Pn=4。仿真时间设为0.1s，电机转速为850r/s。系统启动负载转矩为100N·m。仿真结果如图5～8所示。

通过图5、6可见，模糊PI控制系统转速响应明显快于传统PI控制，且可稳定达到目标转速850r/s并保持稳定无波动;而传统PI控制不能达到目标转速，且转速波动明显。

通过图7、8可见，模糊PI控制系统转矩脉动小且稳定，而传统PI控制系统转矩脉动较大，抖动明显。

5 结束语

本文提出了一种基于矢量变换及模糊PI控制的永磁同步电机控制系统，采用了电流转速双闭环的矢量控制方法。仿真结果表明，该控制系统能够有效的提高永磁同步电机的转速响应;降低了驱动电机的转矩脉动;具备一定的适应性以及鲁棒性;抗干扰能力强。为永磁同步电机的应用提供了参考依据。

参考文献：

[1]李添幸，马瑞卿，张健，等.基于模糊PID永磁同步电机控制[J].电源技术应用，2016（12）：9-15.

[2]苏鸣翰.永磁同步电机的模糊控制研究[J].鞍山师范学院学报，2016，18（4）.

[3]杨书生，钟宜生.永磁同步电机转速伺服系统鲁棒控制器设计[J].中国电机工程学报，2009，29（3）：84-90.

[4]丁文双，胡育文，鲁文其，等.永磁同步电机模糊PID参数自整定[J].微特电机，2011，39（5）：13-17.

[5]LI Shihua，GU Hao. Fuzzy Adaptive Internal Model Control Schemes for PMSM Speed-Regulation System[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics，2012，8（4）：767-779.

[6]張宏宇，闫镔，陆利忠.永磁同步电动机控制策略及应用研究综述[J].微电机，2008，41（4）：96-100.

[7]孙静，张承慧，刘旭东，等.基于Hamilton系统理论的电动汽车用永磁同步电机H∞控制[J].电工技术学报，2013，28（11）：163-169.

[8]黄平，王英，江先志.基于STM32的直流电机模糊PID调速系统研究[J].机电工程，2017，34（4）：380-385.