模糊PID型电流控制器在异步电机调速系统中的应用
2007-11-12 来源：中国自动化 浏览：680
摘 要 ：本文设计了一种二维模糊PID控制器作为SVPWM异步电机矢量控制系统电流调节器，以改善这类系统电流动稳态性能。基于对矢量控制中d、q轴电流响应性能不同要求，论文给出了两种控制方案。仿真实验结果说明，电流环采用模糊PID控制器比采用常规PI控制器具备更好动稳态性能。 1 引言
矢量控制异步电机调速系统中，定子电流控制通常有两种方式：一种是经矢量变换后到定子三相电流瞬时给定值，由三个电流调节器分别对三相交流电流进行闭环调节，即电流控制三相静止坐标系下进行。另一种是将电流控制放同步旋转坐标系下，电流环包括d轴电流环和q轴电流环，分别对d轴电流和q轴电流进行控制。目前，d轴电流环和q轴电流环通常采用常规PI调节器进行控制，存主要问题是q轴电流iq响应超调量与快速性之间矛盾突出；实际d轴电流id易受q轴电流iq影响，抗扰能力不强。
本文设计一种模糊PID电流控制器，基于模糊逻辑原理实现常规PID参数Kp、Ki、Kd线自整定。为增强d轴电流环抗扰能力，本文提出将d轴采用模糊PID电流控制器，q轴采用常规PI控制器控制方案；为改善q轴电流动稳态性能，本文提出将q轴采用模糊PID电流控制器，d轴采用常规PI控制器。仿真结果表明，两种方案达到了预期目，明显改善电流环控制性能。 2 感应电机矢量控制模型
d-q同步旋转坐标系中,把定子电流和转子磁链作为状态变量时,三相感应电动机定子电流与转子磁链关系式如下：
式中：id，iq —d、q方向定子电流； vd，vq —d、q方向定子电压；
—d、q方向转子磁链；
Rs，Rr —定子和转子阻抗；
Ls，Lr，Lm —定子电感、转子电感及互感； we，wr，ws —同步角速度、转子角速度及
转差角速度。
:
此外，转矩关系式为，其中转矩常数.
感应电机矢量控制就是将同步速度旋转转子磁通矢量投影于d轴方向时，则转子q轴方向磁链
，并把
代入式（1）到:f
式中idr,iqr表示d方向和q方向转子电流。此时，转矩表达式为：
由此到矢量控制SVPWM异步电机调速系统基本框图如图1[1>。从图中可以看出，实际定子三相电流3/2变换到dq坐标下两相电流，与给定电流值比较到误差值，然后电流调节器，输出dq坐标下两相电压。电流调节器作为系统内环。
图1 矢量控制SVPWM异步电机调速系统基本框图
3 模糊PID电流控制器设计
以常规PID控制为基础，采用模糊推理思想不同误差E和误差变化率EC对PID参数进行线自整定。本文设计出两输入三输出模糊PID控制器，以误差E和误差变化率
EC作为输入，PID控制器三个参数即比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd作为输出。模糊自整定系统框图如图2所示。
图2 模糊自整定PID参数控制系统框图
PID控制器中，考虑Kp、Ki、Kd三个参数对系统性能影响：Kp作用加快系统响应速度，提高系统调节精度，但Kp过大将导致系统不稳定；Ki作用消除系统稳态误差；Kd作用改善系统动态特性。不同误差绝对值|E|和误差变化率绝对值|EC|，参数Kp、Ki、Kd整定一般原则如下[2>:
（1）当|E|较大时，可取较大Kp与较小Ki，使系统具有快速响应，同时为避免出现较大超调，应对积分作用加以限制，常取Ki=0;
（2）当|E|处于中等大小时，为使系统响应具有较小超调，Kp应取较小。Ki取值要适当，Kd取值对系统响应影响较大;
（3）当|E|较小时，为使系统具有较好稳定性能，Kp与Ki均应取大些。同时为避免系统设定值附近出现振荡，Kd值选择EC来确定：当|EC|值较小时，Kd取大些。当|EC|值较大时，Kd取较小值，一般Kd为中等大小;
上述原则，找出PID控制器各个参数Kp、Ki、Kd与误差绝对值|E|和误差变化率绝对值|EC|之间模糊关系，不断检测|E|和|EC|变化情况，模糊控制规则对三个参数进行线修改，以满足不同|E|和|EC|对控制器参数不同要求，使被控对象具有良好动静态性能。
设定输入变量E和EC语言值模糊子集为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，并简记为｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，将误差E和误差变化率EC量化到｛-3，3｝区域内。同样，设计输出量Kp、Ki、Kd模糊子集为｛ZO，PS，PM，PB｝，并将其量化到区域｛0，3｝内。输入输出变量隶属函数曲线如图3所示。
图3 隶属函数曲线
4 基于模糊自整定PID电流控制器系统仿真
为验证模糊PID电流控制器控制性能,MATLAB里建立带模糊自整定PID电流控制器矢量控制SVPWM型异步电机调速系统。以5.5kW两对极异步电机为控制对象，感应电机基本参数如下：In=13A，Rs=0.813Ω，Rr=0.531Ω，Ls=3.86mH，Lr=6.35mH，Lm=102.4mH, J=0.02kgm2。
图4是SVPWM异步电机调速系统SIMULINK仿真模型，功率变换器直流侧电压为540V，id给定值为7.3A，电流环采样时间50us,速度环采样时间1ms。
图4 矢量控制SIMULINK模型
为便于对比,基于参数最优化原则,首先为电流环设计两个常规PI控制器,到最佳参数Kp=62,Ki=7750。d、q轴电流环采用该常规PI控制器时仿真结果是：受iq变化影响id变化范围为[6.1，8.17>;iq上升时间为700μs，最大超调量5.3%。 基于对d、q电流环不同控制要求，提出以下两种控制方案:
（1）方案一：q轴电流环采用模糊PID控制器、d轴电流环采用常规PI控制器 此时考察iq响应快速性和超调情况。0.1s时速度给定从零阶跃变化到1000r/min，电流及转速响应曲线如图5所示。iq响应曲线显示，上升时间为600μs,最大超调
量为3.5%。同等条件下，iq采用PI控制器时，上升时间为700μs，最大超调量5.3%。可见iq采用模糊PID控制器比采用常规PI控制器快速性更好，超调量更低。
图5 电流id, iq和速度spdfd响应曲线
（2）方案二：d轴电流环采用模糊PID控制器、q轴电流环采用常规PI控制器 此时考察d轴电流环抗扰能力。速度给定0.1s时从0阶跃变化到1000r/min，电流及转速响应曲线如图6所示。从图中可以看到iq变化时，id基本不受影响，其变化范围[6.29，7.98>，较之常规PI控制器变化范围[6.1，8.17>有明显改进。说明d轴电流环采用模糊PID控制器能提高其抗扰动能力。
图6 电流 id，iq和速度spdfd响应曲线
5 结束语
本文设计了一种模糊PID电流控制器来改善SVPWM异步电机调速系统电流控制性能。针对d、q轴电流响应性能不同要求，给出了两种控制方案。为加强d轴电流环抗扰能力，提出iq采用常规PI控制器，id采用模糊PID控制器控制方案；为改善iq动稳态响应性能，提出id采用常规PI控制器，iq采用模糊PID控制器控制方案。仿真结果表明，两种控制方案都达到了预期效果。
