基于內(nèi)模控制的永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

李運德，張森，孫興中

(廣東工業(yè)大學，廣東廣州，510006)

摘要：針對永磁同步電動機伺服系統(tǒng)高性能的控制要求，提出一種基于內(nèi)模控制技術(shù)的永磁同步電動機控制策略。設(shè)計的內(nèi)模控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、直觀和容易調(diào)節(jié)等特點，通過使用內(nèi)模控制技術(shù)設(shè)計電流環(huán)，改善電流環(huán)的性能；在電流環(huán)的基礎(chǔ)上，再用內(nèi)模控制技術(shù)設(shè)計速度控制器，抑制速度波動；利用構(gòu)建仿真模型對該調(diào)速系統(tǒng)進行仿真研究。結(jié)果表明：用內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速超調(diào)量低、轉(zhuǎn)矩脈動小和響應(yīng)速度快的優(yōu)點，明顯改善了系統(tǒng)的跟隨性能和抗擾性能，證明了該控制策略的有效性。

    關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；內(nèi)模控制；電流調(diào)節(jié)器；轉(zhuǎn)速間節(jié)器

    中圈分類號：TM341    文獻標識碼：A    文章編號：l004—7018(2010)05—0056—04

0引言   

    永磁同步電動機(以下簡稱PMsM)因其體積小、慣量低、響應(yīng)速度快、效率和功率因數(shù)高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在高性能伺服領(lǐng)域。

    對電機控制系統(tǒng)來說，工程上常采用常規(guī)PI調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)進行電流與速度調(diào)節(jié)，一般會產(chǎn)生較大的超調(diào)，且響應(yīng)速度也慢。因此，在對動態(tài)性能要求較高的場合，如電動車輛要求調(diào)速系統(tǒng)起制動超調(diào)小，受擾動時動態(tài)速降小、恢復時間快，采用常規(guī)PI調(diào)節(jié)器就會受到一定的局限性，不能滿足相關(guān)方面的要求。

    本文采用內(nèi)模控制的方法，在永磁同步電動機的控制中對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行優(yōu)化設(shè)計。所設(shè)計的內(nèi)模控制器的結(jié)構(gòu)只有一個可調(diào)參數(shù)，并且這個參數(shù)的取值決定著閉環(huán)輸出的響應(yīng)速度。本文通過用Matlab R2007a軟件對系統(tǒng)進行建模仿真，實現(xiàn)了對系統(tǒng)優(yōu)化控制的目的。

1 PMsM數(shù)學模型

     PMsM是從繞線式轉(zhuǎn)子同步伺服電動機發(fā)展而來的。PMsM的定子由三相對稱繞組及鐵心構(gòu)成，并且通常以Y型連接，構(gòu)成對稱、均勻的電樞繞組，可以產(chǎn)生正弦的感應(yīng)電勢波形；在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，PMsM用強抗退磁的永磁體取代普通電動機的電勵磁，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷。為了建立正弦波PMsM的數(shù)學模型，首先假設(shè)：

    (1)忽略電動機鐵心的永磁飽和；

    (2)不計電動機的渦流和磁滯損耗；

    (3)電動機的電流為對稱的三相正弦電流。

    對于PMsM，取永磁體基波勵磁磁場軸線(磁極軸線)作為直軸，亦稱d軸；而沿著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90。電角度作為交軸，亦稱q軸；把4相繞組軸線作為參考軸線，且d軸與參考軸之間的電角度為a，而d、g軸則以電角速度w隨同轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，其坐標圖如圖1所示。

   根據(jù)圖1，先后經(jīng)過clarke變換(由三相靜止坐標變換到兩相靜止坐標)和Park變換(由兩相靜止

    MsM中定子繞組一般為無中線的Y型連接，則有iA+iB+ic=0。

式中：ud,uq為d、q軸定子電壓；id、iq為d、g軸定子電流；φd、φq為d、q軸定子磁鏈；R為定子電阻Ld、Lq為d、g軸定子電感；φf為轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生的磁勢；J為轉(zhuǎn)動慣量；TL為負載轉(zhuǎn)矩；Te為輸出轉(zhuǎn)矩；B為粘滯摩擦系數(shù)；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；ω為轉(zhuǎn)子電角速度，ω=Pω；p為極對數(shù)。

2內(nèi)模控制器的設(shè)計

2．1內(nèi)模控制器的特點

    內(nèi)模控制器的基本思想是與被控對象并聯(lián)一個與對象盡量一致的標稱模型，利用其輸出與實際對象的輸出之差反饋到控制器的輸入端，來抑制參數(shù)的變化、模型失配與外部干擾信號，以提高系統(tǒng)的魯棒性和抑制干擾能力。

    對內(nèi)模控制器進行設(shè)計時應(yīng)分兩個步驟：第一步，暫時不考慮系統(tǒng)的魯棒性和約束性，設(shè)計出一個穩(wěn)定的控制器；第二步，引入反饋濾波器和輸入濾波器，并通過調(diào)整濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)來獲得期望的動態(tài)性能和魯棒性。

    圖2為基本內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)圖[1,5]。Gp為被控對象，Gm為被控模型(描述被控對象動態(tài)行為的基礎(chǔ)模型)，Cm為前饋內(nèi)模控制器。當模型匹配時，有坐標變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標）[2]，可建立如下坐標關(guān)系式：