摘 要 ：本文設(shè)計(jì)了一種二維模糊PID控制器作為SVPWM異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器，以改善這類系統(tǒng)電流的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能?；趯?duì)矢量控制中d、q軸電流響應(yīng)性能的不同要求，論文給出了兩種控制方案。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，電流環(huán)采用模糊PID控制器比采用常規(guī)的PI控制器具備更好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。 1 引言 在矢量控制異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，定子電流的控制通常有兩種方式：一種是經(jīng)矢量變換后得到定子三相電流的瞬時(shí)給定值，由三個(gè)電流調(diào)節(jié)器分別對(duì)三相交流電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，即電流控制在三相靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行。另一種是將電流控制放在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，電流環(huán)包括d軸電流環(huán)和q軸電流環(huán)，分別對(duì)d軸電流和q軸電流進(jìn)行控制。目前，d軸電流環(huán)和q軸電流環(huán)通常采用常規(guī)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，存在的主要問題是q軸電流iq響應(yīng)的超調(diào)量與快速性之間矛盾突出；實(shí)際的d軸電流id易受q軸電流iq影響，抗擾能力不強(qiáng)。 本文設(shè)計(jì)一種模糊PID電流控制器，基于模糊邏輯原理實(shí)現(xiàn)常規(guī)PID參數(shù)Kp、Ki、Kd的在線自整定。為增強(qiáng)d軸電流環(huán)的抗擾能力，本文提出將d軸采用模糊PID電流控制器，q軸采用常規(guī)PI控制器的控制方案；為改善q軸電流的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能，本文提出將q軸采用模糊PID電流控制器，d軸采用常規(guī)PI控制器。仿真結(jié)果表明，兩種方案達(dá)到了預(yù)期的目的，明顯改善電流環(huán)的控制性能。 2 感應(yīng)電機(jī)矢量控制模型 d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,把定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈作為狀態(tài)變量時(shí),三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈關(guān)系式如下： 式中：id，iq —d、q方向的定子電流； vd，vq —d、q方向的定子電壓； —d、q方向轉(zhuǎn)子磁鏈； Rs，Rr —定子和轉(zhuǎn)子阻抗； Ls，Lr，Lm —定子電感、轉(zhuǎn)子電感及互感； we，wr，ws —同步角速度、轉(zhuǎn)子角速度及 轉(zhuǎn)差角速度。 并且: 此外，轉(zhuǎn)矩關(guān)系式為，其中轉(zhuǎn)矩常數(shù). 感應(yīng)電機(jī)矢量控制就是將同步速度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁通矢量投影于d軸方向時(shí)，則轉(zhuǎn)子q軸方向磁鏈，并把代入式（1）得到: 式中idr,iqr表示d方向和q方向轉(zhuǎn)子電流。此時(shí)，轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為： 由此得到矢量控制的SVPWM異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本框圖如圖1[1]。從圖中可以看出，實(shí)際定子三相電流經(jīng)過3/2變換得到dq坐標(biāo)下兩相電流，與給定電流值比較得到誤差值，然后通過電流調(diào)節(jié)器，輸出dq坐標(biāo)下兩相電壓。電流調(diào)節(jié)器作為系統(tǒng)內(nèi)環(huán)。 3 模糊PID電流控制器的設(shè)計(jì) 以常規(guī)PID控制為基礎(chǔ)，采用模糊推理思想根據(jù)不同的誤差E和誤差變化率EC對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定。本文設(shè)計(jì)出兩輸入三輸出的模糊PID控制器，以誤差E和誤差變化率EC作為輸入，PID控制器的三個(gè)參數(shù)即比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd作為輸出。模糊自整定系統(tǒng)框圖如圖2所示。 在PID控制器中，考慮Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響：Kp的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，但Kp過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；Ki的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；Kd的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于不同的誤差絕對(duì)值|E|和誤差變化率絕對(duì)值|EC|，參數(shù)Kp、Ki、Kd整定的一般原則如下[2]: （1）當(dāng)|E|較大時(shí)，可取較大的Kp與較小的Ki，使系統(tǒng)具有快速的響應(yīng)，同時(shí)為避免出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，常取Ki=0; （2）當(dāng)|E|處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取得較小。Ki的取值要適當(dāng)，Kd的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大; （3）當(dāng)|E|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，Kp與Ki均應(yīng)取得大些。同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，Kd值的選擇根據(jù)EC來確定：當(dāng)|EC|值較小時(shí)，Kd取大些。當(dāng)|EC|值較大時(shí)，Kd取較小值，一般Kd為中等大小; 根據(jù)上述原則，找出PID控制器的各個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd與誤差絕對(duì)值|E|和誤差變化率絕對(duì)值|EC|之間的模糊關(guān)系，通過不斷檢測(cè)|E|和|EC|的變化情況，根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同|E|和|EC|對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。 設(shè)定輸入變量E和EC語言值的模糊子集為｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，并簡(jiǎn)記為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，將誤差E和誤差變化率EC量化到｛-3，3｝的區(qū)域內(nèi)。同樣，設(shè)計(jì)輸出量Kp、Ki、Kd的模糊子集為｛ZO，PS，PM，PB｝，并將其量化到區(qū)域｛0，3｝內(nèi)。輸入輸出變量的隸屬函數(shù)曲線如圖3所示。 4 基于模糊自整定PID電流控制器的系統(tǒng)仿真 為驗(yàn)證模糊PID電流控制器的控制性能,在MATLAB里建立帶模糊自整定PID電流控制器的矢量控制SVPWM型異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。以5.5kW兩對(duì)極異步電機(jī)為控制對(duì)象，感應(yīng)電機(jī)基本參數(shù)如下：In=13A，Rs=0.813Ω，Rr=0.531Ω，Ls=3.86mH，Lr=6.35mH，Lm=102.4mH, J=0.02kgm2。 圖4是SVPWM異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的SIMULINK仿真模型，功率變換器直流側(cè)電壓為540V，id給定值為7.3A，電流環(huán)采樣時(shí)間50us,速度環(huán)采樣時(shí)間1ms。 為便于對(duì)比,基于參數(shù)最優(yōu)化原則,首先為電流環(huán)設(shè)計(jì)兩個(gè)常規(guī)PI控制器,得到的最佳參數(shù)Kp=62,Ki=7750。d、q軸電流環(huán)采用該常規(guī)PI控制器時(shí)的仿真結(jié)果是：受iq變化影響的id變化范圍為[6.1，8.17];iq上升時(shí)間為700μs，最大超調(diào)量5.3%。 基于對(duì)d、q電流環(huán)的不同控制要求，提出以下兩種控制方案: （1）方案一：q軸電流環(huán)采用模糊PID控制器、d軸電流環(huán)采用常規(guī)PI控制器 此時(shí)考察iq響應(yīng)的快速性和超調(diào)情況。在0.1s時(shí)速度給定從零階躍變化到1000r/min，電流及轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖5所示。iq響應(yīng)曲線顯示，上升時(shí)間為600μs,最大超調(diào)量為3.5%。在同等條件下，iq采用PI控制器時(shí)，上升時(shí)間為700μs，最大超調(diào)量5.3%?？梢奿q采用模糊PID控制器比采用常規(guī)PI控制器快速性更好，超調(diào)量更低。 （2）方案二：d軸電流環(huán)采用模糊PID控制器、q軸電流環(huán)采用常規(guī)PI控制器 此時(shí)考察d軸電流環(huán)的抗擾能力。速度給定在0.1s時(shí)從0階躍變化到1000r/min，電流及轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖6所示。從圖中可以看到iq變化時(shí)，id基本不受影響，其變化范圍[6.29，7.98]，較之常規(guī)PI控制器的變化范圍[6.1，8.17]有明顯改進(jìn)。說明d軸電流環(huán)采用模糊PID控制器能提高其抗擾動(dòng)能力。 5 結(jié)束語 本文設(shè)計(jì)了一種模糊PID電流控制器來改善SVPWM異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電流控制性能。針對(duì)d、q軸電流響應(yīng)性能的不同要求，給出了兩種控制方案。為加強(qiáng)d軸電流環(huán)的抗擾能力，提出iq采用常規(guī)PI控制器，id采用模糊PID控制器的控制方案；為改善iq的動(dòng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性能，提出id采用常規(guī)PI控制器，iq采用模糊PID控制器的控制方案。仿真結(jié)果表明，兩種控制方案都達(dá)到了預(yù)期的效果。