《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)控制的建模與仿真
雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)控制的建模與仿真
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
周旺平,芮振雷,田 琰
南京信息工程大學(xué),江蘇 南京210044
摘要: 針對傳統(tǒng)PID控制方法對雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)參數(shù)攝動(dòng)、抗干擾能力差等缺點(diǎn),提出一種單神經(jīng)元模糊PID控制方法。首先建立雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了單神經(jīng)元模糊PID控制器,然后利用MATLAB實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。最后通過傳統(tǒng)PID和單神經(jīng)元模糊PID控制的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析,仿真結(jié)果表明,單神經(jīng)元模糊PID控制可以顯著提高系統(tǒng)的魯棒性,使雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)具有更好的動(dòng)、靜態(tài)性能和抗干擾能力。
中圖分類號(hào): TP273  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A  DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172725
中文引用格式: 周旺平,芮振雷,田琰. 雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)控制的建模與仿真[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(4):134-137.
英文引用格式: Zhou Wangping,Rui Zhenlei,Tian Yan. Modeling and simulation of double-rotor pemanent magnet synchronous motor control[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(4):134-137.
Modeling and simulation of double-rotor pemanent magnet synchronous motor control
Zhou Wangping,Rui Zhenlei,Tian Yan
Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China
Abstract: Aiming at the shortcomings of traditional PID control method, such as parameter perturbation and poor anti-jamming ability of double-rotor permanent magnet synchronous motor, a single neuron fuzzy PID control method is proposed. Firstly, a mathematical model of double-rotor permanent magnet synchronous motor is established, and a single neuron fuzzy PID controller is designed. And then the system is designed and simulated by MATLAB. Finally, the simulation results of traditional PID and single neuron fuzzy PID control are compared and analyzed.The simulation results show that the single neuron fuzzy PID control can improve the robustness of the system effectively, so that the double rotor permanent magnet synchronous motor control system has better dynamic and static performance and anti-interference ability.
Key words : double-rotor permanent magnet synchronous motor;modeling;single neuron

0 引言

    在水下航行器行進(jìn)過程中,為了保持自身姿態(tài)平穩(wěn),一般采用兩臺(tái)常規(guī)電機(jī)或者單臺(tái)常規(guī)電機(jī)加復(fù)雜的行星減速器傳動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)雙螺旋漿旋轉(zhuǎn)。前者傳動(dòng)系統(tǒng)成本高,后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜,易出故障且機(jī)械傳動(dòng)效率較低[1]。

    風(fēng)力發(fā)電中采用永磁電機(jī),但風(fēng)力發(fā)電受天氣影響較大,風(fēng)速須達(dá)到特定的范圍所得電壓才可使用,風(fēng)速過小或過大所得電壓都無法并入電網(wǎng),從而使得由永磁電機(jī)所設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的可用電壓范圍較窄[2]

    雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)采用內(nèi)外轉(zhuǎn)子、中間定子結(jié)構(gòu),其可靠性高,定子鐵心利用率高,系統(tǒng)運(yùn)行效率高[3]。電機(jī)剖面圖如圖1所示。航行過程中自身即可抵消陀螺效應(yīng),可直接驅(qū)動(dòng)對轉(zhuǎn)螺旋推進(jìn)系統(tǒng)。在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域可以拓寬可用電壓范圍。由于雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)(DRPMSM)的上述諸多優(yōu)點(diǎn),使得它越來越受到專家學(xué)者的關(guān)注[4]。

jsj4-t1.gif

    雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)為典型的非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng),實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)因?yàn)楦蓴_或復(fù)雜變化等原因,影響控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。文獻(xiàn)[6]中采用模糊控制對雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行控制,但是模糊控制對模糊規(guī)則選擇敏感,實(shí)時(shí)性無法保證;文獻(xiàn)[7]中采用單神經(jīng)元PID控制方法,雖然可以優(yōu)化電機(jī)啟動(dòng)性能,但控制器增益無法實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié);文獻(xiàn)[8]中采用滑模變結(jié)構(gòu)對永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制,但滑模軌跡在進(jìn)行反向切換時(shí)不能連續(xù),且控制過程復(fù)雜。

    基于以上問題,本文提出了單神經(jīng)元模糊PID控制方法,在MATLAB環(huán)境下搭建了系統(tǒng)仿真模型,并對比了傳統(tǒng)PID控制與單神經(jīng)元模糊PID控制的仿真結(jié)果。

1 雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

    雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)是一種新型電機(jī),它與普通PMSM的差別在于原來靜止的定子也可以旋轉(zhuǎn),所以兩者具有相同的電磁關(guān)系,在建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型前,做如下理想化假設(shè)[9]

    (1)電機(jī)各相繞組結(jié)構(gòu)對稱;

    (2)電機(jī)具有正弦形反電動(dòng)勢波形;

    (3)忽略磁路飽和;

    (4)忽略磁滯損耗。

    參照普通永磁電機(jī),可得雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[10],如下所示:

jsj4-gs1-6.gif

2 控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單神經(jīng)元PID控制器原理

    單神經(jīng)元控制器基于人腦神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)與特征,其模型如圖2所示。

jsj4-t2.gif

    圖2中r(k)為給定轉(zhuǎn)速信號(hào),n(k)為實(shí)際反饋信號(hào),u(k)為單神經(jīng)元PID控制器輸出值,w1(k)、w2(k)、w3(k)是分別對應(yīng)于x1(k)、x2(k)、x3(k)的加權(quán)系數(shù)。利用給定速度r(k)與實(shí)際輸出信號(hào)n(k)之間的誤差作為控制偏差:

    jsj4-gs7.gif

    再通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制所需要的狀態(tài)量x1、x2、x3,從而可得:

jsj4-gs8-10.gif

    采用上述學(xué)習(xí)規(guī)則系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)各輸入量的權(quán)重。將這種控制策略應(yīng)用于雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī),可提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力,簡化算法的復(fù)雜度,可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制器的平穩(wěn)飽和。但是對神經(jīng)元比例系數(shù)K值選取卻是人為設(shè)定的,且一旦選定,無法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),選擇起來十分困難,K值過高,會(huì)使得系統(tǒng)超調(diào)過大,增加系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間;過低則系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢,實(shí)時(shí)性得不到保障。

2.2 單神經(jīng)元模糊PID控制器設(shè)計(jì)

    由于單神經(jīng)元PID控制中的神經(jīng)元比例系數(shù)選取困難,本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了單神經(jīng)元模糊PID控制器,其原理圖如圖3所示。

jsj4-t3.gif

    基于單神經(jīng)元PID控制的缺點(diǎn),本文通過模糊控制策略調(diào)整控制器增益,控制策略如圖4所示。

jsj4-t4.gif

    模糊PID控制系統(tǒng)性能取決于模糊控制規(guī)則的制定,本文在分析矢量控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線的基礎(chǔ)上,制定了模糊控制規(guī)則[12]。

    本文選取7個(gè)詞匯描述輸入輸出變量,即{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},采用三角隸屬度函數(shù)曲線作為輸入/輸出變量的隸屬函數(shù),如圖5所示。它計(jì)算工作量少,靈敏度高。模糊推理采用Mamdani方法[13],反模糊化采用加權(quán)平均法。控制規(guī)則表如表1所示。

jsj4-t5.gif

jsj4-b1.gif

3 仿真結(jié)果及分析

    基于MATLAB搭建了電機(jī)矢量控制和單神經(jīng)元模糊PID控制兩種仿真控制模型,電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)如下所示:電機(jī)極對數(shù)為4,額定電壓為220 V,內(nèi)外電樞電阻為1.437 5 Ω,永磁磁鏈均為0.175 Wb,粘性摩擦系數(shù)為0,電機(jī)轉(zhuǎn)子的dq軸等效電感為4.25×10-3 mH。在MATLAB/Simulink設(shè)置界面設(shè)定仿真模型起始時(shí)間為0 s,停止時(shí)間為0.5 s,初始給定速度值為100 rad/s;在0.15 s時(shí)內(nèi)外轉(zhuǎn)子給定轉(zhuǎn)速從初始的100 rad/s跳變?yōu)?50 rad/s;在0.25 s時(shí)內(nèi)外電機(jī)轉(zhuǎn)子力矩由1 N·m變?yōu)?.5 N·m。在此仿真基礎(chǔ)上,分析電機(jī)的輸出特性和響應(yīng)速度。并且將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)的矢量控制方法進(jìn)行對比試驗(yàn),從而可以驗(yàn)證本次所設(shè)計(jì)的雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的正確性和相應(yīng)控制算法的控制效果。

    圖6~圖8分別顯示了在傳統(tǒng)矢量控制下,雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)在內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、力矩和三相電流的響應(yīng)曲線。從仿真結(jié)果的波形分析中可以看到,傳統(tǒng)的矢量控制方法所得的內(nèi)外電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線具有較大的超調(diào)量和較長時(shí)間的震蕩調(diào)整過程;對于電機(jī)的力矩,當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí),力矩變化明顯;而對于三相電流,在電機(jī)達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí),三相電流變化幅度較大,電機(jī)在較長時(shí)間里方能達(dá)到設(shè)定值。

jsj4-t6.gif

jsj4-t7.gif

jsj4-t8.gif

    圖9~圖11是利用單神經(jīng)元模糊PID控制方法所得的響應(yīng)曲線圖,可以看到電機(jī)在較短時(shí)間里轉(zhuǎn)速達(dá)到了設(shè)定值100 rad/s,當(dāng)電機(jī)到達(dá)穩(wěn)定速度并持續(xù)一段時(shí)間以后,在0.15 s時(shí)將內(nèi)外轉(zhuǎn)子速度從100 rad/s跳變?yōu)?50 rad/s。從圖9可以看出,與矢量控制相比,當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時(shí),內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速都快速地達(dá)到了給定的轉(zhuǎn)速,響應(yīng)速度較快。同樣地,可以看到內(nèi)外電機(jī)的力矩響應(yīng)曲線,在較短時(shí)間里面內(nèi)外轉(zhuǎn)子力矩達(dá)到了給定值,從圖10看出內(nèi)外電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩保持在給定值1 N·m的電磁轉(zhuǎn)矩不變。持續(xù)一段時(shí)間以后。由于在0.15 s時(shí)設(shè)定轉(zhuǎn)速變大,使得內(nèi)外轉(zhuǎn)子力矩發(fā)生波動(dòng),但是從圖10可知,力矩很快恢復(fù)到穩(wěn)定值。當(dāng)電機(jī)三相電流在給定內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和力矩的情況下,在較快速度下達(dá)到穩(wěn)定值,在達(dá)到穩(wěn)定穩(wěn)定狀態(tài)并持續(xù)一段時(shí)間以后,由于轉(zhuǎn)速發(fā)生改變,使得三相電流出現(xiàn)了波動(dòng),但是隨后快速穩(wěn)定下來,如圖11所示。在0.25 s時(shí)人為將力矩變?yōu)?.5 N·m,從圖10可以看出電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)速受力矩變化影響很小,幾乎沒有變化,在圖10中,當(dāng)力矩大小發(fā)生改變時(shí),電機(jī)的力矩響應(yīng)非常迅速,很快就達(dá)到了1.5 N·m。圖11看出當(dāng)三相電流的波形曲線在力矩發(fā)生改變的同時(shí),能夠快速的響應(yīng),達(dá)到較理想的穩(wěn)定狀態(tài)。

jsj4-t9.gif

jsj4-t10.gif

jsj4-t11.gif

    總的來說,仿真結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)(DRPMSM)單神經(jīng)元模糊PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果在運(yùn)行過程中,轉(zhuǎn)速、力矩、三相電流都能保持平穩(wěn),當(dāng)轉(zhuǎn)速、力矩在某時(shí)間段里改變的情況下,也能夠在短時(shí)間里穩(wěn)定下來。與傳統(tǒng)的矢量控制方法相對比,本次所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)響應(yīng)速度更快,仿真結(jié)果較理想。

4 結(jié)論

    本文分析了雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)(DRPMSM)的工作原理,建立了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,搭建了單神經(jīng)元模糊PID控制系統(tǒng),并進(jìn)行了對比仿真研究。仿真結(jié)果表明:在轉(zhuǎn)速、力矩發(fā)生改變的情況下,采用單神經(jīng)元模糊PID控制方法運(yùn)行響應(yīng)速度都達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果,相比于傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)具有更好的動(dòng)靜態(tài)性能。通過仿真結(jié)果的分析,深入了解了雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速、力矩和相電流各自的特點(diǎn)和它們之間的相互影響。同時(shí),本次試驗(yàn)結(jié)果也為進(jìn)一步分析和設(shè)計(jì)雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)(DRPMSM)本體結(jié)構(gòu)和控制策略提供了參考。當(dāng)然本文對電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的相互干擾并未做相關(guān)分析,對于如何優(yōu)化控制策略,使控制器性能達(dá)到最優(yōu)還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析,在今后的研究中,相信對于本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、電機(jī)數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)以及控制算法的創(chuàng)新會(huì)是雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟昭鶴.水下航行器用雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)控制器的研究與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2010.

[2] 崔總澤,李子健,項(xiàng)群杰,等.新型雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其雙模功率控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(36):6499-6505.

[3] 莫麗紅,全力,朱孝勇,等.定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(9):74-82.

[4] 李紅偉,王洪誠.永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的VisSim建模與仿真[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2007,11(5):533-537.

[5] 曾喆昭,賀瑩,張暢,等.非線性PID自學(xué)習(xí)控制方法研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2014,40(10):224-227.

[6] 韓建群,鄭萍.永磁同步雙轉(zhuǎn)子/雙定子電機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊控制[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2009,39(5):1252-1256.

[7] 萬健如,張海波,曹才開.單神經(jīng)元PID控制器永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù),2005,39(1):75-77.

[8] 鄧艷艷,林旭梅.永磁同步電機(jī)滑模自適應(yīng)控制[J].計(jì)算機(jī)仿真,2015,32(2):337-341.

[9] 曹江華,楊向宇,肖如晶.雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與有限元分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2010,37(1):8-12.

[10] Wu He,Wu Hantong,F(xiàn)ang Fei,et al.Research on control strategy for a double-winding bearingless flux-switching machine with alternating excited orthogonal suspension windings[C].2016 IEEE 8th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC-ECCE Asia),Hefei,2016:821-826.

[11] ZHANG X,GENG Y,ZHANG M.The Research of digital vector control driver of permanent magnet synchronous machine[C].2011 International Conference on Control,Automation and Systems Engineering(CASE),Singapore,2011:1-4.

[12] XU W,ZHU J,ZHANG Y,et al.Characterization of advanced drive system for hybrid electric vehicles[C].2010 International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS),Incheon,2010:487-492.

[13] WANG Y,CHENG M,DU Y,et al.Vector control of double-stator permanent magnet brushless motor with surface mounted topology[C].2010 International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS),Incheon,2010:855-858.



作者信息:

周旺平,芮振雷,田  琰

(南京信息工程大學(xué),江蘇 南京210044)

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。