基于PMSM模型解耦的电流控制器设计与性能研究
郭宇，艾永乐，王泰华，牛联波
(河南理上大学，河南焦作45400O)
摘要：永磁同步电动机(PMsM)是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，即使在同步坐标系下对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦，也兀法实现d轴、q轴电压直接控制d轴、q轴电流提出电机l奉体解耦方案，即通过在电机中添加控制模块，把速度电压和互感项去掉，将交、卣轴分量的控制转化成两个独立通道的控制系统；其次，设计一种电流控制器，并将其应用于PMsM的电流控制中。仿真结果表明，该电流控制器具有较好的鲁棒性和动态响应性能。
关键词：电机模型；解耦；电流控制器
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2009)12—0053—03
O引 言
磁同步电动机(以下简称PMsM)体积小、重量轻、转子无发热问题、控制系统较异步电动机简单，因而以PMsM为动力核心的控制系统在电力机车牵引、潜艇及航空航天等领域得到了广泛应用[1-5]。转子磁场定向矢量控制方式也是PMsM较为广泛的一种控制方式[6]，其基本原理是通过坐标变换，在转子磁场定向的同步坐标轴上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制，使其具有和直电机相同的运行特性。但在一般情况下，无法通过控制d轴、q轴电压直接控制d轴、q轴电流。为了简化控制，许多文献通过进一步简化电机的模型，如忽略电阻的影响等，但当电机的调速范围很宽时，电阻、电抗等参数对d、q轴电流的控制产生较大误差，从而影响控制精度和动态响应速度。
针对该问题，以转子磁场定向的矢量控制理论
由图1可知，动态结构图中存在d轴电流和0轴电流分量的交叉耦合，使得q轴电流的调节受到d轴电流的影响。同时，交叉耦合电压与速度等因素有关。变频调速时，交叉耦合电势会随着变化，即耦合电势的存在直接影响着调速系统的速度控制性能[11-12]。因此对交叉耦合电势的处理成为PMSM解耦控制的关键问题。基于此，本文提出了一种电机本体的解耦方案，即通过在电机中添加控翩模块，把速度电压和互感项去掉，将交、直轴分量的控制转化成两个独立通道的单回路控制系统，以达到PMSM各轴分量仅受本轴自身分量控制的目的。如图2所示。
根据上述解耦原理，得到解耦的d、g轴电机模型，如图3所示。
需要说明的是：电流控制器的实际电压Vd、Vq与控制电压Vd、Vq之间的关系为：
2电流控制器的设计
解耦的d轴电机方程闭环控制系统如图4所示：
由于比例控制器抗干扰能力强，过渡时间短，本文设计采用比例控制器，下面分别计算d轴、g轴电流环的比例系数。
为了使控制器在乃奎斯特频率时的环路增益为一lO dB，控制器的增益可按下式计算：
现对式(5)进行如下变换，以便简化计算，即对式(5)的指数进行级数展开：
假定采样周期足够小，任何含有T2或更高次幂的项可以忽略，则：
通常情况下，T/Ld够小，可忽略不计，因此上式可以简化为：
这里取采样频率为5 000 Hz，则由式(8)得：
由于d轴自感的取值范围为1～8 mH，因此在任何采样瞬间都必须计算d轴电流控制器的增益。
同理，q轴电流控制器的增益方程为：
这里，q轴自感为常数，将g轴自感L。=O．75mH代入式(10)得：
解耦的电流控制器仿真框图如图5所示。 取电流控制器的增益D(s)=lO，则闭环传递函数为  取，；=15 mn，Ld=3·16 mH，则闭环控制下的波特图和阶跃响应如图6所示。由闭环波特图可知，闭环系统的带宽为5000rad·s，且闭环控制的阶跃响应时间ts=O．8 ms。因此，在闭环系统中该控制器可以满足PMsM的电流控制的动态性能。
3仿真
为了测试电流控制器的性能，需要建立电流控制系统的模型，该模型主要由电机子系统、控制子系统组成，其Matlab仿真框图如图7所示。
图7中，z0H为零阶保持环节，该模块的作用是进行模数转换。为了测试电机的解耦性能，现设置电机转子速度为零，即转子堵转。仿真实验如下：
(1)设q轴参考电流，Iq=0，当t= s时，d轴电流Id=100A;
(2)设d轴参考电流Id=O，当t=1 s时，q轴电沥Iq=100 A. 仿真结果如图8所示。
由图8可知，两个电流响应时间都小于2 ms，表本文没计的电流控制器的响应比较快；d轴电流和q轴电流是解耦的，互相独立。
4结语
针对PMsM模型的特点，提出了电机本体解耦的办法，在此基础上设计了稳定的电流控制器。在电流环的设计中应用了比例控制器，对给定的d轴电流和q轴电流的阶跃响应进行了仿真实验。仿真结果表明，本文所提出的电机本体解耦的办法具有可实现性，电流控制器具有较好的鲁棒性和动态响应性能：
|
