基于模糊PID的交流電動機矢量控制系統(tǒng)
曹海波，方建安，劉洪瑋
(東華大學(xué)，上海201620)
摘要：交流電動機矢量控制系統(tǒng)是一個非線性、強耦合、時變的復(fù)雜系統(tǒng)，用傳統(tǒng)的PID難以達到理想的控制效果：基于模糊控制原理與傳統(tǒng)PID原理相結(jié)合設(shè)計了模糊PID控制器。仿真結(jié)果表明，采用模糊PID控制器比采用常規(guī)PID控制器具有更好的動穩(wěn)態(tài)性能。
關(guān)鍵詞：矢量控制；模糊控制；PID控制；模糊PID控制；交流電動機
中圖分類號：TM34 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)01—0064—03
 0引言 交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低，安裝環(huán)境要求低，適于易燃、易爆、多塵的場合，尤其是在大容量、高轉(zhuǎn)速應(yīng)用領(lǐng)域，備受青睞。但是交流電動機是一個多輸入多輸出(MIMO)、非線性、強耦合且時變的被控對象，由于被控對象的復(fù)雜性，直接導(dǎo)致了交流電機轉(zhuǎn)矩控制的困難。通過矢量控制，將交流電動機等效成直流電動機，從而獲得較好的轉(zhuǎn)矩特性。
近年來，眾多學(xué)者對如何使電機矢量控制的效果更加顯著進行了相關(guān)的研究，如在矢量控制的基礎(chǔ)上采用模糊控制器[1]。模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，在設(shè)計中被控對象不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制器可以獲得良好的動態(tài)特性，但無法消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。
本文在分析矢量控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合常規(guī)PID控制器和模糊控制器的特點，采用模糊PID控制器，建立相應(yīng)的電機調(diào)速模型。通過與傳統(tǒng)的PID矢量控制模型進行比較，詳細說明該模型的特點。
1交流電動機矢量控制
以產(chǎn)生同一的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則，交流異步電動機的定子交流電流ia、ib、ic，通過三相／--相變換可以等效成兩相靜止坐標系上的交流電流iα和iβ，再通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流id、iq：
按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向條件時交流電動機模型，取d軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈矢量ψr方向，為M軸；T軸為逆時針轉(zhuǎn)90。，垂直于矢量ψr。由于是以轉(zhuǎn)子磁鏈ψr方向作為M軸的方向，此時有ψrd=ψrM=|ψr|,ψrq=ψrT=0。得到此時電磁轉(zhuǎn)矩和電壓方程為：
式中：p為極對數(shù)；L m為互感；L r為轉(zhuǎn)子電感；L s為定子電感；R s為定子電阻；  ；p為微分算子，  為同步角轉(zhuǎn)速；ω r為電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ω s。為轉(zhuǎn)差角轉(zhuǎn)速；  。 由以上公式可以得到以下結(jié)果：
轉(zhuǎn)子磁鏈ψr僅由定子電流勵磁分量isM產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量isT無關(guān)。式(5)還表明ψrm與isM之間的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)。當勵磁電流分量isM突變時，ψr的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電機勵磁繞組的慣性作用是一致的。
轉(zhuǎn)子磁鏈的位置可由   得出，對于交流異步電動機，由于其轉(zhuǎn)子磁鏈的初始位置θr(0)是由定子電流決定的，如果系統(tǒng)運行時就采用矢量控制，則可以認為θr(0)=O。得到磁鏈位置θr后，可以通過旋轉(zhuǎn)變換得到勵磁電流分量isM，進而根據(jù)式(5)求得砂ψrM，并實施反饋控制[2]。
圖1是根據(jù)上述原理建立的系統(tǒng)仿真圖。異步電動機由電流控制PWM逆變器供電驅(qū)動，轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)給定轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速之差，得到轉(zhuǎn)矩期望值T e；轉(zhuǎn)矩電流分量i sT |
