基于PMSM模型解耦的電流控制器設計與性能研究
郭宇，艾永樂，王泰華，牛聯波
(河南理上大學，河南焦作45400O)
摘要：永磁同步電動機(PMsM)是一個多變量、非線性、強耦合的控制對象，即使在同步坐標系下對電機的磁場電流和轉矩電流進行解耦，也兀法實現d軸、q軸電壓直接控制d軸、q軸電流提出電機l奉體解耦方案，即通過在電機中添加控制模塊，把速度電壓和互感項去掉，將交、卣軸分量的控制轉化成兩個獨立通道的控制系統；其次，設計一種電流控制器，并將其應用于PMsM的電流控制中。仿真結果表明，該電流控制器具有較好的魯棒性和動態響應性能。
關鍵詞：電機模型；解耦；電流控制器
中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2009)12—0053—03
O引 言
磁同步電動機(以下簡稱PMsM)體積小、重量輕、轉子無發熱問題、控制系統較異步電動機簡單，因而以PMsM為動力核心的控制系統在電力機車牽引、潛艇及航空航天等領域得到了廣泛應用[1-5]。轉子磁場定向矢量控制方式也是PMsM較為廣泛的一種控制方式[6]，其基本原理是通過坐標變換，在轉子磁場定向的同步坐標軸上對電機的磁場電流和轉矩電流進行解耦控制，使其具有和直電機相同的運行特性。但在一般情況下，無法通過控制d軸、q軸電壓直接控制d軸、q軸電流。為了簡化控制，許多文獻通過進一步簡化電機的模型，如忽略電阻的影響等，但當電機的調速范圍很寬時，電阻、電抗等參數對d、q軸電流的控制產生較大誤差，從而影響控制精度和動態響應速度。
針對該問題，以轉子磁場定向的矢量控制理論
由圖1可知，動態結構圖中存在d軸電流和0軸電流分量的交叉耦合，使得q軸電流的調節受到d軸電流的影響。同時，交叉耦合電壓與速度等因素有關。變頻調速時，交叉耦合電勢會隨著變化，即耦合電勢的存在直接影響著調速系統的速度控制性能[11-12]。因此對交叉耦合電勢的處理成為PMSM解耦控制的關鍵問題。基于此，本文提出了一種電機本體的解耦方案，即通過在電機中添加控翩模塊，把速度電壓和互感項去掉，將交、直軸分量的控制轉化成兩個獨立通道的單回路控制系統，以達到PMSM各軸分量僅受本軸自身分量控制的目的。如圖2所示。
根據上述解耦原理，得到解耦的d、g軸電機模型，如圖3所示。
需要說明的是：電流控制器的實際電壓Vd、Vq與控制電壓Vd、Vq之間的關系為：
2電流控制器的設計
解耦的d軸電機方程閉環控制系統如圖4所示：
由于比例控制器抗干擾能力強，過渡時間短，本文設計采用比例控制器，下面分別計算d軸、g軸電流環的比例系數。
為了使控制器在乃奎斯特頻率時的環路增益為一lO dB，控制器的增益可按下式計算：
現對式(5)進行如下變換，以便簡化計算，即對式(5)的指數進行級數展開：
假定采樣周期足夠小，任何含有T2或更高次冪的項可以忽略，則：
通常情況下，T/Ld夠小，可忽略不計，因此上式可以簡化為：
這里取采樣頻率為5 000 Hz，則由式(8)得：
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