基于PMSM模型解耦的電流控制器設(shè)計(jì)與性能研究
郭宇，艾永樂，王泰華，牛聯(lián)波
(河南理上大學(xué)，河南焦作45400O)
摘要：永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMsM)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的控制對(duì)象，即使在同步坐標(biāo)系下對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行解耦，也兀法實(shí)現(xiàn)d軸、q軸電壓直接控制d軸、q軸電流提出電機(jī)l奉體解耦方案，即通過在電機(jī)中添加控制模塊，把速度電壓和互感項(xiàng)去掉，將交、卣軸分量的控制轉(zhuǎn)化成兩個(gè)獨(dú)立通道的控制系統(tǒng)；其次，設(shè)計(jì)一種電流控制器，并將其應(yīng)用于PMsM的電流控制中。仿真結(jié)果表明，該電流控制器具有較好的魯棒性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
關(guān)鍵詞：電機(jī)模型；解耦；電流控制器
中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2009)12—0053—03
O引 言
磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMsM)體積小、重量輕、轉(zhuǎn)子無發(fā)熱問題、控制系統(tǒng)較異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單，因而以PMsM為動(dòng)力核心的控制系統(tǒng)在電力機(jī)車牽引、潛艇及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制方式也是PMsM較為廣泛的一種控制方式[6]，其基本原理是通過坐標(biāo)變換，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步坐標(biāo)軸上對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行解耦控制，使其具有和直電機(jī)相同的運(yùn)行特性。但在一般情況下，無法通過控制d軸、q軸電壓直接控制d軸、q軸電流。為了簡(jiǎn)化控制，許多文獻(xiàn)通過進(jìn)一步簡(jiǎn)化電機(jī)的模型，如忽略電阻的影響等，但當(dāng)電機(jī)的調(diào)速范圍很寬時(shí)，電阻、電抗等參數(shù)對(duì)d、q軸電流的控制產(chǎn)生較大誤差，從而影響控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
針對(duì)該問題，以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制理論
由圖1可知，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中存在d軸電流和0軸電流分量的交叉耦合，使得q軸電流的調(diào)節(jié)受到d軸電流的影響。同時(shí)，交叉耦合電壓與速度等因素有關(guān)。變頻調(diào)速時(shí)，交叉耦合電勢(shì)會(huì)隨著變化，即耦合電勢(shì)的存在直接影響著調(diào)速系統(tǒng)的速度控制性能[11-12]。因此對(duì)交叉耦合電勢(shì)的處理成為PMSM解耦控制的關(guān)鍵問題�；诖耍疚奶岢隽艘环N電機(jī)本體的解耦方案，即通過在電機(jī)中添加控翩模塊，把速度電壓和互感項(xiàng)去掉，將交、直軸分量的控制轉(zhuǎn)化成兩個(gè)獨(dú)立通道的單回路控制系統(tǒng)，以達(dá)到PMSM各軸分量?jī)H受本軸自身分量控制的目的。如圖2所示。
根據(jù)上述解耦原理，得到解耦的d、g軸電機(jī)模型，如圖3所示。
需要說明的是：電流控制器的實(shí)際電壓Vd、Vq與控制電壓Vd、Vq之間的關(guān)系為：
2電流控制器的設(shè)計(jì)
解耦的d軸電機(jī)方程閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖4所示：
由于比例控制器抗干擾能力強(qiáng)，過渡時(shí)間短，本文設(shè)計(jì)采用比例控制器，下面分別計(jì)算d軸、g軸電流環(huán)的比例系數(shù)。
為了使控制器在乃奎斯特頻率時(shí)的環(huán)路增益為一lO dB，控制器的增益可按下式計(jì)算：
現(xiàn)對(duì)式(5)進(jìn)行如下變換，以便簡(jiǎn)化計(jì)算，即對(duì)式(5)的指數(shù)進(jìn)行級(jí)數(shù)展開：
假定采樣周期足夠小，任何含有T2或更高次冪的項(xiàng)可以忽略，則：
通常情況下，T/Ld夠小，可忽略不計(jì)，因此上式可以簡(jiǎn)化為：
這里取采樣頻率為5 000 Hz，則由式(8)得：
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