基于內模控制的永磁同步電動機調速系統設計

李運德，張森，孫興中

(廣東工業大學，廣東廣州，510006)

摘要：針對永磁同步電動機伺服系統高性能的控制要求，提出一種基于內模控制技術的永磁同步電動機控制策略。設計的內模控制器具有結構簡單、直觀和容易調節等特點，通過使用內模控制技術設計電流環，改善電流環的性能；在電流環的基礎上，再用內模控制技術設計速度控制器，抑制速度波動；利用構建仿真模型對該調速系統進行仿真研究。結果表明：用內模控制結構設計的調速系統有轉速超調量低、轉矩脈動小和響應速度快的優點，明顯改善了系統的跟隨性能和抗擾性能，證明了該控制策略的有效性。

    關鍵詞：永磁同步電動機；內模控制；電流調節器；轉速間節器

    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、響應速度快、效率和功率因數高等優點，廣泛應用在高性能伺服領域。

    對電機控制系統來說，工程上常采用常規PI調節器對系統進行電流與速度調節，一般會產生較大的超調，且響應速度也慢。因此，在對動態性能要求較高的場合，如電動車輛要求調速系統起制動超調小，受擾動時動態速降小、恢復時間快，采用常規PI調節器就會受到一定的局限性，不能滿足相關方面的要求。

    本文采用內模控制的方法，在永磁同步電動機的控制中對電流調節器和轉速調節器進行優化設計。所設計的內模控制器的結構只有一個可調參數，并且這個參數的取值決定著閉環輸出的響應速度。本文通過用Matlab R2007a軟件對系統進行建模仿真，實現了對系統優化控制的目的。

1 PMsM數學模型

     PMsM是從繞線式轉子同步伺服電動機發展而來的。PMsM的定子由三相對稱繞組及鐵心構成，并且通常以Y型連接，構成對稱、均勻的電樞繞組，可以產生正弦的感應電勢波形；在轉子結構上，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、滑環和電刷。為了建立正弦波PMsM的數學模型，首先假設：

    (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；而沿著轉子旋轉方向超前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隨同轉子一起旋轉，其坐標圖如圖1所示。

   根據圖1，先后經過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為轉子上的永磁體產生的磁勢；J為轉動慣量；TL為負載轉矩；Te為輸出轉矩；B為粘滯摩擦系數；ωr為轉子角速度；ω為轉子電角速度，ω=Pω；p為極對數。

2內模控制器的設計

2．1內模控制器的特點

    內模控制器的基本思想是與被控對象并聯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，來抑制參數的變化、模型失配與外部干擾信號，以提高系統的魯棒性和抑制干擾能力。

    對內模控制器進行設計時應分兩個步驟：第一步，暫時不考慮系統的魯棒性和約束性，設計出一個穩定的控制器；第二步，引入反饋濾波器和輸入濾波器，并通過調整濾波器的結構和參數來獲得期望的動態性能和魯棒性。

    圖2為基本內模控制結構圖[1,5]。Gp為被控對象，Gm為被控模型(描述被控對象動態行為的基礎模型)，Cm為前饋內模控制器。當模型匹配時，有坐標變換到兩相旋轉坐標）[2]，可建立如下坐標關系式：