多相永磁电机H桥形变频调速系统的模糊控制

黄允灿

（海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430064）

0 引言

由于电力推进永磁电机系统要求输出较大的功率和转矩，若电力系统采用低电压，则其工作电流必然很大，电机绕组和逆变器的设计均受到电流的限制，要解决大电流问题，必须从永磁同步电机和逆变器设计方案上解决。因此，大功率永磁同步推进电动机系统宜采取“多相、多极”方案。同时采用多相化可以有效的抑制力矩波动，获得平滑的力矩输出，易于实现低电压，大转矩。

1 方波永磁同步电动机的基本理论及基于H桥形拓扑结构的控制方式

1.1 方波永磁同步电机的基本工作原理

方波永磁同步电动机，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向线路的功率开关元件就直接与电枢绕组连接。同样为保证电枢磁动势与永磁体产生的气隙磁通始终正交，在电动机内，必须装有一个位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置，它与电子换向线路一起，代替了有刷直流电动机的机械换向装置。

1.2 三相H桥形电机系统的拓扑结构和运行原理

图1为方波永磁同步电动机相绕组结构图，图3为方波永磁同步电动机相绕组的反电势及电流波形，电枢绕组只在气隙磁通的平顶部分通有电流，各相绕组电流之间相差60°电角度。当转子处于30°时，B相绕组电流截止，A相绕组正向导通，当转子转到90°时，C相绕组电流截止，B相绕组正向导通，当转子转到150°时，A相绕组电流截止，C相绕组正向导通，当转子转到210°时，B相绕组电流截止，A相绕组反向导通，到270°时，C相绕组电流截止，B相绕组反向导通。

当转子转到330°时，A相绕组电流截止，C相绕组反向导通，当转子再次处于30°时，B相绕组电流截止，A相绕组正向导通，这样完成了完整的一转。重复以上过程，使电动机旋转下去。

2 基于参数自调整的模糊控制在永磁同步电动机控制系统中的应用

现在的调速系统一般采用双环控制，同时对电流和速度进行调节，通常内环为电流环，外环为速度环，相应的调节器为电流调节器和速度调节器，如图2所示。调节器常用的控制方式有常规PID控制，滑模变结构控制，模糊控制，神经网络控制，模糊－PI控制，模糊神经网络控制等[3][4]。但算法简单实用、性能优良、实时性好的参数自整定模糊智能控制器仍旧是目前大功率控制系统中较好的选择[5]。

参数调整器是参数自调整的模糊控制器的核心，它根据偏差与偏差的变化率，依靠普通模糊控制器对基本模糊控制器的参数进行在线调整。参数调整器的输入为偏差和偏差的变化率，利用一组根据一般经验选定的固定的量化因子KEO,KEC0对输入的偏差E和偏差的变化率EC进行量化取整，得到输入的偏差和偏差的变化率在模糊论域上的一组值。

3 系统实验及仿真结果

H桥形拓扑结果电机系统PI-PI电流控制、PI-FC（常规模糊控制）控制与PI-FCBPSA（参数自整定模糊控制）控制仿真结果的比较 。

系统在1.2 s突加1000 Nm负载，转速设定为180 r/min，下图是PI-FCBPSA控制方式下转速、电流、转矩变化的仿真波形。

PI-FCBPSA控制方式下，转速略有超调，几乎不变，保持给定转速，电机输出电磁转矩随着负载转矩变化而变化。 结果显示控制器对外部（负载）扰动和给定转速变化具有较快的动态响应，这是由于当误差较大时，积分因子中的模糊规则中输出较小的值。较固定积分系数更有利于抑制超调，实现了对给定变化及负载变化的自适应控制。仿真结果表明，参数自整定模糊控制器比传统的控制器具有更强的鲁棒性和更好的动态性能，因此参数自整定控制具有很好的应用价值，尤其对于复杂的难以建模的系统。

通过图 4和图 5的起动波形的比较可以看出，PI-PI控制与 PI-FC控制响应速度较快，但PI-PI控制靠近设定速度时，速度响应较慢，PI-FC控制稳态时存在稳态误差，PI-FCBPSA控制起动时的转速波形最好，快速无超调,有较好的动态响应，特别是抗干扰的适应性要好一些。

4 结语

从直流电动机的基本理论出发，分析了方波永磁同步电动机的基本工作原理，在一定的假设条件下推导了三相和十二相方波永磁同步电动机的电磁转矩表达式，分析对比了其脉动转矩的大小。

由一般双环PI控制的局限出发，引入了模糊控制，介绍了模糊控制的基本原理，提出了基于参数自调整模糊控制器，使模糊控制器的控制规则可以随控制对象、控制过程的改变而实时的改变，具有更强的鲁棒性。为发展电力推进特别是军用舰艇综合电力推进提供了有力的技术支持。

[1]Rachid Ibtiouene, Bernard Laporte. Steady-state torque analysis of a brushless direct current motor with permanent magnets. Electric Machines and Power Systems, 1999, 27:11-23.

[2]Yoon Ho Kim,Yoon Sang Kook, Yo Ko．A new technique of reducing torque ripple for BLDCM drives. IEEE Trans on Ind. Appl, 1997,44(5):735-739．

[3]吴捷，刘永强，陈巍．现代控制技术在电力系统控制中的应用(一)．中国电机工程学报，1998．

[4]吴捷，刘永强，陈巍．现代控制技术在电力系统控制中的应用(二)．中国电机工程学报，1998．

[5]李友善，李军．模糊控制理论及其在过程控制中的应用．清华大学出版社，1996．