PMSM空间矢量脉宽调制系统建模与模糊PI调速控制仿真研究_江南

GUANGXIUNIVERSITY广西科技大学学AND报TECHNOLOGYOFSCIENCEVol.25No.1

第卷252014Mar.

文章编号1004-6410（2014）01-0074-05

PMSM空间矢量脉宽调制系统建模与

模糊PI调速控制仿真研究

江

（1.广西科技大学

南1a，范健文1b，2，谭光兴1a，白羽鹤1a

a.电气与信息工程学院，b.汽车与交通学院，广西

柳州545006；

汽车工程系，广西柳州545006）

2.广西科技大学鹿山学院

摘

要：为了改善PMSM（永磁同步电机）的SVPWM（空间矢量脉宽调制）驱动系统的速度控制的效果，在传统PI控制

算法中引入了模糊理论，制定了控制参数在线自调整的模糊推理规则，设计了参数自整定的模糊PI控制器，用于系统的速度环.给出了永磁同步电机在dq0坐标系下的数学模型，研究了SVPWM控制的关键技术，并在MATLAB／

Simulink环境下建立了基于SVPWM的永磁同步电机驱动系统的仿真模型.在负载突变的情况下，与传统PI的控制方

式进行对比仿真实验.仿真结果表明：使用参数自整定模糊PI控制器的系统其速度响应的上升时间、峰值时间、调整时间均更短；在负载扰动的情况下能更快的恢复稳定状态，鲁棒性更强，稳态误差更小.关键词：永磁同步电机;空间矢量脉宽调制;模糊PI控制器;MATLAB仿真中图分类号：TM301.2

文献标志码：A

0引言

永磁同步电机使用永磁材料作为转子，无电刷和滑环，具有体积小、质量轻、效率高、功率密度大、噪声

小、转子本身不发热等优点，广泛应用于高精度控制领域.矢量控制是一种基于磁场定向的控制策略［1］.最早提出交流电机矢量控制概念是德国学者Blaschke.PMSM矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能，可进行大范围调速或定位控制［2］.SVPWM（空间电压矢量脉宽调制）技术，利用坐标变换的方法，将交变电流分解为直流分量来控制，其控制性能卓越，其结构一般采用电流内环控制、转速外环控制的形式.在双闭环结构中一般使用PI控制器.对于可建立精确数学模型的确定性控制系统，传统PID控制器一般可满足控制要求，而由于永磁同步电机系统实际有很多非线性部分并且存在参数扰动，其控制效果难以令人满意.文献［3］在永磁同步电机的SVPWM驱动系统中只使用传统PID控制器，系统的速度响应调整时间长，存在很大的超调量，抗负载扰动能力不足.文献［4］设计了单神经元PID控制器用于PMSM的调速控制，系统具有较强的自适应性和鲁棒性，但由于系统组成比较复杂，存在运算量大、收敛慢、成本较大的缺点［5］.为了提高PMSM控制品质，就要求PID控制参数能够随环境在线地做出合理的调节.模糊控制可以对复杂的非线性系统进行有效控制，具有较强的自适应能力［6］.本文设计了参数自整定模糊PI控制器能够有效的改善

PMSM的速度控制性能.

1PMSM的在dq0坐标系下的数学模型

根据传统的假设和Clarke变换，基于PMSM转子磁场dq0坐标系的数学模型直接按下式写出［7］.电压方程为：

收稿日期：2013－12-10

基金项目：广西自然科学基金资助项目（2013GXNSFAA019351，2010GXNSFA013024，2010GXNSFA013126），广西重点实验室建设项目（13－051－

38）；2012年广西研究生教育创新计划项目（2012105940811M01）资助.

通信作者：谭光兴，教授，博士，研究方向：进化算法、智能控制，E－mail:gxtan＠163.com.

第1期江南等：PMSM空间矢量脉宽调制系统建模与模糊PI调速控制仿真研究

75

（1）

u=Ri+dψ/dt-ωψ󰀁u=Ri+dψ/dt-ωψ

dq

sdsq

dq

ee

qd

磁链方程为：

ψ=Li+ψ

󰀁ψ=Li

dq

ddqq

f

ψs=姨ψd2+ψq2

电磁转矩方程为：

（2）（3）

Te=3np（ψdiq-ψqid）=3np［ψfiq+（Ld-Lq）iqid］

22

2SVPWM（空间矢量脉宽调制）

三相逆变器的8种工作状态可以对应8个基本电压空间矢量.其中有6个非零矢量（U1（001），U2

（010），U3（011），U4（100），U5（101），U6（110）），它们幅值相同，相互之间的夹角为60°，将整个矢量空间划分为6个相等的扇区.还有两个没有实际效果的零矢量（U0（000），U7（111））位于坐标原点.其组合可以逼近旋转目标空间的任意电压矢量.

SVPWM控制的关键技术主要有：矢量所在扇区判断、相邻基本矢量作用时间T1，T2计算、矢量切换点

Taon，Tbon，Tcon计算.通过简单的数学推导可以通过以下表格对这些变量赋值.

表1

Sector与的对应关系

2

3

4

5

6

NSectorSectorT1T2

1

表3Taon，Tbon，Tcon的确定

ⅢTcTaTb

ⅣTaTbTa

ⅤTbTcTa

ⅥTaTcTb

ⅡⅠ-ZX

Ⅵ

表2

ⅠⅢX-Y

ⅣⅣ-XZ

ⅢⅤ-Y-Z

ⅤⅥY-X

T1，T2赋值表

ⅡZY

SectorTaonTbonTconⅠTaTbTcⅡTbTaTc

将周期为T，幅值为T/2的等腰三角波作为脉宽调制的载波信号，通过与Taon，Tbon，Tcon进行比较即可得到SVPWM控制脉冲.

3永磁同步电机SVPWM驱动系统仿真模型

矢量控制原理以及空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术使得交流电机能够获得和直流电机相媲美的性能［3］.计算机仿真技术的应用，很大程度的提高了设计研发的效率，节省大量研发成本，而且无人身财产安全隐患，可靠性高.根据SVPWM技术的原理，在

speedrefference750

0

SVPVVM

PI

PIPI

TC

usqusdsitaT

Scope

TLgA

DCB

C

UniversalBridge

TmAmBC

PMSMpulse1

Continuouspowergui

Scope5

Scope1

MATLAB／Simulink

平台上搭建了永磁同步电机SVPWM驱动系统的仿真模型，如图1.

K

pi/22

Scope2

图1永磁同步电机SVPWM驱动系统仿真模型

76

广西科技大学学报第25卷

基于id=0电流控制策略，采用转速、电流双闭环控制方式，其主要部分分别是三相逆变器模块、PMSM模块和SVPWM信号生成模块.利用强大的SimPowerSystems模块库，三相逆变器模块和PMSM模块均选择库中自带的仿真模块.

SVPWM信号生成模块主要包括：坐标变换模块，扇区选择模块，基本矢量作用时间计算模块，Ta，Tb，Tc

计算模块和PWM生成模块，分别如下图所示.

1usd2usq

sin

3sita

cos

2ubeta

vref

1ualpha

vf

R3

C1

C2

R2

KGain

R1

vc

图2PARK变换模块图3扇区选择模块

通过PARK坐标变换将永磁同步电机在两相旋转坐标系下的电压直流分量变换为两相静止坐下的交流分量.扇区选择模块中通过计算、查表1确定矢量所在的扇区编号.

1s2ualpha3ubeta5T4Ud

ualphaXubetaTUd

XYZ

Y

K-Z

K-T2？

2T2

K-T1？

1T1

图4基本矢量作用时间计算模块

通过Uα，Uβ载波周期T和直流母线电压Ud的值计算得到中间变量X，Y，Z，再根据上一步得到的矢量所在扇区的编号通过查表2确定基本矢量的作用时间.

4s

1Taon

1T12T23T

K-K-K-TaTbTc

2Tbon

Triangle1Tcon12Tcon2

NOT

double

1pulse

NOTdouble

3Tcon

3Tcon3

NOTdouble

图5开关时间计算模块图6SVPWM信号生成模块

通过基本矢量的作用时间、载波周期计算得到中间变量Ta，Tb，Tc，再根据矢量所在的扇区编号查表3得到逆变器各相开关的开关时刻，再与三角载波信号比较得到SVPWM信号来控制三相逆变器.

4参数自整定模糊PI控制器设计

本文研究的内置式永磁同步电机是具有非线性、高阶、多变量、强耦合等特性的被控对象，其动态过程难以用精确的数学模型描述.实际的传动系统中被控对象在某些场合会随情况而变化，对一些精度要求高的场合，传统的固定增益的PI控制器已经不能够获得满意的控制效果［8-10］.运用模糊理论，可以自动地调整

第1期江南等：PMSM空间矢量脉宽调制系统建模与模糊PI调速控制仿真研究

77

PI控制参数，设计出参数自整定模糊PI控制器.

选择给定值与实际值的误差e和误差的变换率ec为输入变量，PI控制器的控制参数△kp和△ki为输出变量.误差e和误差ec变化率的实际论域为［－1，1］；输出△kp的基本论域为［－0.6，0.6］，△ki的基本论域［－0.03，0.03］，模糊论域均为为［－6，6］.模糊化量化因子为k△e=k△ec=6，kpu=0.1，kiu=0.005.

考虑控制的精度，选择模糊子集（负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（NM），正大（PB））来覆盖论域.

建立合适的模糊推理规则是设计控制器的关键.根据专家的控制经验知识和各参数之间的影响关系，可以得到模糊控制规则如表4.

表4

kp，ki模糊控制规则表

ki

PMZOZOPSPMPMPBPB

PBZOPSPBPMPBPBPB

NBPBPBPBPBPMPSZO

NMPMPMPSPSPSZOZO

NSPMPSZPZOZONSNM

ZONBNMZPZOZOPSPS

PSNMNSZPZOZOPSPM

PMZOZOPSPMPMPMPB

PBZOPSPBPBPBPBPB

eceNBNMNSZ0PSPMPB

NBPBPBPBPMPMPSZO

NMPBPBPBPMPSZOZO

NSPBPMPMPSZONSNM

kpZONMNSZOZOZONSNM

PSNMNSZOPSPMPMPB

在MATLAB／Simulink中建立参数自整定模糊PI控制器模块如图7所示.

误差e和误差变化率ec输入后，通过模糊推理得到此刻参数的调整量△kp和△ki，在mem模块中通过一个memory模块记忆上一时刻的调整量，再与通过传统整定方法设计的PI参数初值相加，达到参数在线自整定的目的.将其使用在永磁同步电机SVPWM驱动系统的速度环以改善对PMSM调速控制的效果.

图7

参数自整定模糊PI控制器模块

CKI0

1/sIntegrator

1u

CKp0

1e

1den（s）

K-aeK-aec

FuzzyLogicController1

aec1

FuzzyLogicController2

aec3

dpi

memmem

5仿真实验结果与分析

traditionalPlcontrolspeed/RPM为了验证系统的性能，选择的PMSM具体参数为：定子电阻为2.8750Ω，交／直轴电感为0.0085H，永磁磁链为0.175V·s，电压常数和转矩常数分别为63.483和0.525，转动惯量为0.0008kg·m，摩擦因数为0.0001，极

2

800600400200080060040020000

0.1

0.2t/s

0.3

0.4

0.5

0

0.1

0.2t/s

0.3

0.4

0.5

载波周期为0.0002s，仿真时间为0.5s，给定转速设定为750RPM，负载转矩在0.2s时从··1Nm突增到5Nm，分别对使用传统PI速度控制和参数自整定模糊PI控制的系统进行了仿真实验，得到仿真结果，见图8所示.

fuzzyPlcontrolspeed/RPM对数为2.设定直流母线电压为300V，PWM

图8系统速度响应仿真波形

78

广西科技大学学报第25卷

可以看出SVPWM技术对永磁同步电机的控制控制效果很好，系统稳定性高而且动态性能出色.启动瞬间使用参数自整定模糊PI控制的系统的速度响应迅速，与速度环采用传统PI控制的系统对比，其上升时间、峰值时间和调整时间均明显更短.整个控制过程中采用参数自整定模糊PI控制的系统稳定性更好，抵抗负载扰动的能力极佳.然而启动时采用参数自整定模糊PI控制的系统速度响应的超调量却更大.两种系统速度响的时域动态性能指标与稳态误差由表5给出.

从图9可以看出，采用SVPWM技术的永磁同步电机驱动系统其电磁转矩输出能够很好地复现输入.在启动的瞬间，转速很低的情况下两系统均产生了很大的转矩超调，而使用参数自整定模糊PI控制速度··环的系统的超调量更大，达到了14.2Nm，传统PI控制的系统超调为13.1Nm.两种系统在启动时转矩响应的调整时间接近，均在0.02s左右，但使用参数自整定模糊PI控制的系统产生了明显的振荡.然而在负载突变的情况下，虽然使用参数自整定模糊PI控制的系统在调节过程中仍然产生了轻微振荡，但其达到新的稳定状态的速度更快.而由于PMSM的电磁转矩与电流有近似正比的关系，所以三相定子电流的波形变化与电磁转矩波形吻合.

traditionalPlcontrol·mTe/NtraditionalPlcontroliaibic/A20100-10

020100-10

0

0.1

0.2t/s

0.3

0.4

0.5

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

500-505000

0.1

0.2t/s

0.3

0.4

0.5

平稳启动

表5系统速度响应的动态性能和稳态误差

tr/s

tp/s

ts/s

σ/%

ess

传统PI参数自整定模糊PI

0.00780.0066

0.01100.0077

0.05500.0134

5.6011.87

5.61.3

00.10.2

t/s

t/s

0.30.40.5

fuzzyPlcontrol·Te/NmfuzzyPlcontroliaibic/A-50

图9电磁转矩仿真波形

图10三相定子电流转矩仿真波形

6结束语

本文根据模糊控制理论和PI参数自整定得原则，设计了参数自整定模糊PI控制器，改善了传统PI控

制器对PMSM驱动系统的控制效果.在MATLAB／SIMULINK环境下，建立了PMSM空间矢量驱动系统仿真模型，分别将两种PI控制器应用在其速度环，进行了对比仿真实验.结果表明：基于SVPWM技术的永磁同步电机驱动系统有着卓越的性能表现，其响应速度更快，上升时间、峰值时间和调整时间均更短，稳态误差更小，在抗干扰能力上的改善尤为突出表现.但参数自整定模糊PI控制也会使系统在调整阶段出现较大的电流和转矩超调量，并且出现振荡，此问题有待进一步研究.

参考文献

［1］龙明贵．永磁同步电机矢量控制分析［D］．成都：西南交通大学，2012.

［2］彭超．永磁同步电机矢量控制MATLAB仿真研究［J］．科技信息，2012（3）:87－89.

［3］王洋，刘永光．基于Simulink的永磁同步电机矢量控制系统仿真［J］．组合机床与自动化加工技术，2011（2）:78－82.［4］李毓周，罗玉涛，赵克刚.基于单神经元控制器的永磁同步电机矢量控制仿真［J］.微电机，2007（3）:5－8.［5］闫永跃，李庆周，于树新.智能PID控制综述［J］.PLC＆FA，2006（12）:9－13.

［6］何继爱，王惠琴.永磁同步电机空间矢量控制系统的仿真［J］.电力系统及其自动化学报，2005（6）:14－16.

［7］李楠，孟庆春，付晓峰.基于参数自整定模糊PID控制策略的电机模型仿真研究［J］.机电工程技术，2004，33（9）:55－58.

（下转第87页）

第1期陈鹏等：电控天然气喷射器喷嘴建模与特性仿真

87

［4］苏民，陈伦军.基于AMEsim的电磁高速开关阀动静态特性研究［J］.液压与气动，2010（2）:68－72.

［5］许正伟，彭忆强，黎薇，等.天然气发动机高压共轨系统的建模与仿真研究［J］.车用发动机，2008（6）:40－43.［6］王都，宋君花，冒晓建，等.基于电控调压器的压缩天然气发动机电控系统［J］.农业机械学报，2009（3）:46－50.［7］梁钦付，张洪涛，姜峰，等.电控柴油机三次喷射排放性能仿真研究［J］.广西工学院学报，2013（4）:56－60.［8］姜峰，叶燕帅，梁兴华.大功率柴油机电控燃油喷射系统的仿真研究［J］.广西工学院学报，2011（4）:49－53.

Simulationandcharacteristicsmodelingofelectricnaturalgasnozzle

CHENPeng1,ZHANGHong－tao1,JIANGFeng1,HUANGTie－hua2

（1.CollegeofAutomobileandTransportationEngineering,GuangxiUniversityofScienceandTechnology,Liuzhou

545006,China;2.LiuzhouLuositeElectricLtd.,Liuzhou545005,China）Abstract:AsimulatedmodelofelectricnaturalgasnozzlehasbeenconstructedbyusingAMEsiminordertostudytheinfluenceofspraycharacteristicswhichiscausedbythepneumaticsourcepressureandthepressureofintakemanifold.Afterthesimulationofnozzleinjectionprocessaswellasthestudyofcharacteristiccurveofejectionfromdifferentpneumaticsourcepressureandthepressureofintakemanifold,thelawoftheinjectionquantityinfluencedbybothpressurescanbeobtained.Thesimulationprovidesinstructivesuggestionsfortheoptimizationofdesignoftheelectronicnozzle.

Keywords:naturalgasnozzle;AMEsim;pressureparameters;simulation

（责任编辑：李彦青，廖萍）

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第78页）

［8］宫勇，王艳秋.永磁同步电机模糊PI控制的仿真研究［J］.辽宁工学院学报，2007，26（5）:291－294.［9］贡亚丽，王文明，王鑫.永磁同步电机伺服控制系统设计［J］.广西工学院学报，2009（4）：40－44.

［10］宁胜花，谭光兴，李冉.免疫遗传PID汽车纯机械转向系统参数优化［J］.广西工学院学报，2010（3）:38－41.

Simulationstudyontheparameterself－tuningfuzzyPIcontrolmethod

appliedtothePMSMvectorcontrolsystem

JIANGNan1a，FANJian－wen1a，2，TANGuang－xing1a，BAIYu－he1a

（1.a.CollegeofElectricandInformationEngineering，b.CollegeofAutomobileangTransportationEngineering，GuangxiUniversityofScienceandTechnology，Liuzhou545006China；2.DepartmentofAutomobileabdEngineering，GuangxiUniversityofScienceandTechnology，LushanCollege，Liuzhou545006China）Abstract:InordertoimprovethespeedcontrolperformanceofthePMSM（PermanentMagnetSynchronousMotor）SVPWM（SpaceVectorPulseWidthModulation）drivesystem,fuzzytheoryisaddedtothetraditionalPIcontrolalgorithm.Andaparametersself－turningfuzzyPIcontrolleranditsfuzzyrulesaredesignedandusedinthespeedloopofthedrivesystem.ThemathematicalmodelofthePMSMispresented.AndthebasicprinciplesandkeytechnologiesoftheSVPWMareanalyzed.ThesimulationmodelofthePMSMdrivesystembasedontheSVPWMtechnologyisestablishedintheMATLAB／Simulinkenvironment.Acontradistinctivesimulationexperimentisconductedinthecaseofloadmutation.Theexperimentalresultsshowthattherisingtime,adjustmenttimeandpeaktimeareshorter.Andcomparedwiththeoldone,thenewsystemcanreturntosteadystatefaster,andhassmallersteady－stateerrorandbiggerrobustness.

Keywords:permanentmagnetsynchronousmotor;spacevectorpulsewidthmodulation;parameterself－turningfuzzyPIcontroller;MATLABSimulation

（责任编辑：李捷）