基于模糊PID的交流電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)
曹海波，方建安，劉洪瑋
(東華大學(xué)，上海201620)
摘要：交流電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，用傳統(tǒng)的PID難以達(dá)到理想的控制效果：基于模糊控制原理與傳統(tǒng)PID原理相結(jié)合設(shè)計(jì)了模糊PID控制器。仿真結(jié)果表明，采用模糊PID控制器比采用常規(guī)PID控制器具有更好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。
關(guān)鍵詞：矢量控制；模糊控制；PID控制；模糊PID控制；交流電動(dòng)機(jī)
中圖分類號(hào)：TM34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2010)01—0064—03
 0引言 交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，安裝環(huán)境要求低，適于易燃、易爆、多塵的場(chǎng)合，尤其是在大容量、高轉(zhuǎn)速應(yīng)用領(lǐng)域，備受青睞。但是交流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多輸入多輸出(MIMO)、非線性、強(qiáng)耦合且時(shí)變的被控對(duì)象，由于被控對(duì)象的復(fù)雜性，直接導(dǎo)致了交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的困難。通過(guò)矢量控制，將交流電動(dòng)機(jī)等效成直流電動(dòng)機(jī)，從而獲得較好的轉(zhuǎn)矩特性。
近年來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)如何使電機(jī)矢量控制的效果更加顯著進(jìn)行了相關(guān)的研究，如在矢量控制的基礎(chǔ)上采用模糊控制器[1]。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，在設(shè)計(jì)中被控對(duì)象不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制器可以獲得良好的動(dòng)態(tài)特性，但無(wú)法消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。
本文在分析矢量控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合常規(guī)PID控制器和模糊控制器的特點(diǎn)，采用模糊PID控制器，建立相應(yīng)的電機(jī)調(diào)速模型。通過(guò)與傳統(tǒng)的PID矢量控制模型進(jìn)行比較，詳細(xì)說(shuō)明該模型的特點(diǎn)。
1交流電動(dòng)機(jī)矢量控制
以產(chǎn)生同一的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，交流異步電動(dòng)機(jī)的定子交流電流ia、ib、ic，通過(guò)三相／--相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流iα和iβ，再通過(guò)同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流id、iq：
按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向條件時(shí)交流電動(dòng)機(jī)模型，取d軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀?SUB>r方向，為M軸；T軸為逆時(shí)針轉(zhuǎn)90。，垂直于矢量ψr。由于是以轉(zhuǎn)子磁鏈ψr方向作為M軸的方向，此時(shí)有ψrd=ψrM=|ψr|,ψrq=ψrT=0。得到此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和電壓方程為：
式中：p為極對(duì)數(shù)；L m為互感；L r為轉(zhuǎn)子電感；L s為定子電感；R s為定子電阻；  ；p為微分算子，  為同步角轉(zhuǎn)速；ω r為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ω s。為轉(zhuǎn)差角轉(zhuǎn)速；  。 由以上公式可以得到以下結(jié)果：
轉(zhuǎn)子磁鏈ψr僅由定子電流勵(lì)磁分量isM產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量isT無(wú)關(guān)。式(5)還表明ψrm與isM之間的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)。當(dāng)勵(lì)磁電流分量isM突變時(shí)，ψr的變化要受到勵(lì)磁慣性的阻撓，這和直流電機(jī)勵(lì)磁繞組的慣性作用是一致的。
轉(zhuǎn)子磁鏈的位置可由   得出，對(duì)于交流異步電動(dòng)機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子磁鏈的初始位置θr(0)是由定子電流決定的，如果系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)就采用矢量控制，則可以認(rèn)為θr(0)=O。得到磁鏈位置θr后，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換得到勵(lì)磁電流分量isM，進(jìn)而根據(jù)式(5)求得砂ψrM，并實(shí)施反饋控制[2]。
圖1是根據(jù)上述原理建立的系統(tǒng)仿真圖。異步電動(dòng)機(jī)由電流控制PWM逆變器供電驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速之差，得到轉(zhuǎn)矩期望值T e；轉(zhuǎn)矩電流分量i sT |
