基于PMSM的2种矢量控制仿真对比研究

2020-12-26玄兆燕刘倩景会成赵欣闫建行

华北理工大学学报(自然科学版) 2020年1期

玄兆燕，刘倩，景会成，赵欣，闫建行

(1.华北理工大学机械工程学院，河北唐山 063210；2.华北理工大学电气工程学院，河北唐山 063210；3.唐山市拓又达科技有限公司，河北唐山 063020)

0 引言

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor ，简称PMSM)以其体积小，原理简单，效率高等优点被广泛应用[1]。目前主流控制策略包括磁场定向矢量控制(Field Oriented Control，简称FOC)和直接转矩控制(Direct Torque Control，简称DTC)2种。直接转矩控制原理简单，系统动态性能好，但转矩脉冲大、控制精度低，低速性能不佳[2]。如今，对于永磁同步电机，运用较为广泛的控制方法是矢量控制。矢量控制策略可获得最大线性转矩，也可利用电机过载能力，提高电机启、制动速度，保证电机制动性能。

矢量控制是一个双闭环控制系统，包括速度外环控制和电流内环控制。常用速度环控制有比例谐振控制(Proportional Resonant，简称PR)、PI速度控制和滑膜速度控制(Sliding Mode Control，简称SMC)等。PR速度控制利用基频处的谐振得到基频处的增益，实现无静差控制，对于非基频处的谐波无法消除[3]。PI速度控制结构简单，抗干扰能力差，稳态精度低。SMC变结构控制系统算法一般，响应速度快，对外界噪声干扰具有鲁棒性[4]。

该项研究在永磁同步电机的矢量控制基础上，针对转速环部分建立了PI自适应控制策略与滑膜控制策略，通过对2种控制器的设计，搭建MATLAB/Simulink仿真模型，根据两者的电磁转矩，电机转速及三相电流仿真曲线分析2种方法的优劣性。结果表明，基于滑膜速度控制器矢量控制策略动态响应速度快，鲁棒性更好。

1 PMSM矢量控制原理

图1 永磁同步电机的矢量控制框图

2 PMSM的矢量控制方法

2.1 基于PI调节器的PMSM矢量控制

2.1.1 PI调节器的基本原理

永磁同步电机PI调节器控制包括速度外环控制和电流内环控制[7]。PI速度控制又称比例+积分控制，其中比例控制器的输出与输入误差信号成比例关系，积分控制器的输出与输入误差信号的积分成比例关系。因此，PI控制器对偏差累积进行控制，直至偏差为零。图2所示为基于PI控制器的PMSM矢量控制框图。

图2 基于PI控制器的PMSM矢量控制框图

2.1.2 转速环PI控制器的参数整定

传统的转速环PI控制器的表达式

(1)

式中：Kpω为比例增益；Kpω为积分增益；ωm为电机的机械角速度(rad/s)；Bα有功阻尼系数(N·m·s)。

因此，PI控制器的参数kpω，kiω可由下式确定：

(2)

式中:β为转速环频带带宽(rad/s)；J为电机转动惯量(kg·m2)；pn为电机极对数；ψf为电机磁链(Wb)。

根据式(2)搭建的仿真模型如图3所示。

图3 速度环PI控制器的仿真模型

2.2 基于滑膜速度控制器的PMSM矢量控制

2.2.1 滑膜控制的基本原理

滑膜控制(变结构控制)是一种特殊的不连续性的非线性控制[8]。即根据系统状态方程确定出一种切换函数，从而设计出一个切平面，使切换面以外的运动点在有限时间内到达切换面[9]。图4所示为基于滑膜速度控制器的PMSM矢量控制框图其原理与图1基本相同，其不同在于采用转速环SMC调节器。

图4 基于滑膜速度控制器的PMSM矢量控制框图

2.2.2 滑膜速度控制器的设计

定义线性滑膜切换面函数为：

s=cx1+x2

(3)

式中：c>0为滑膜控制参数。

对式(3)求导可得：

(4)

因PMSM本身具有良好的动态性能，所以采用指数趋近律方法可以得到滑膜控制器的表达式：

(5)

式中：0<ε<1。

进而得到q轴的参考电流：

(6)

图5 滑膜速度控制器的仿真模型

3 仿真分析

永磁同步电机各项参数如表1所示。

表1 电机参数

基于PI控制器的PMSM矢量控制仿真中，各参数设置为：直流测电压Udc=311 V，PWM开关频率fPWM=10 kHz，采样周期Ts=10 μs，相对误差为0.000 1，仿真时间为0.4 s。其中PI控制器中的参数：转速环β=50 rad/s，Bα=0.013，Kpw=0.15，Kiw=7.5，仿真结果如图6所示。