中文引用格式: 周旺平,芮振雷,田琰. 雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機控制的建模與仿真[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.
0 引言
在水下航行器行進過程中,為了保持自身姿態(tài)平穩(wěn),一般采用兩臺常規(guī)電機或者單臺常規(guī)電機加復(fù)雜的行星減速器傳動系統(tǒng)拖動雙螺旋漿旋轉(zhuǎn)。前者傳動系統(tǒng)成本高,后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜,易出故障且機械傳動效率較低[1]。
風(fēng)力發(fā)電中采用永磁電機,但風(fēng)力發(fā)電受天氣影響較大,風(fēng)速須達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所設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機所產(chǎn)生的可用電壓范圍較窄[2]。
雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機采用內(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)運行效率高[3]。電機剖面圖如圖1所示。航行過程中自身即可抵消陀螺效應(yīng),可直接驅(qū)動對轉(zhuǎn)螺旋推進系統(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(DRPMSM)的上述諸多優(yōu)點,使得它越來越受到專家學(xué)者的關(guān)注[4]。
雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機為典型的非線性強耦合系統(tǒng),實際運行過程中會因為干擾或復(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[6]中采用模糊控制對雙轉(zhuǎn)子電機進行控制,但是模糊控制對模糊規(guī)則選擇敏感,實時性無法保證;文獻[7]中采用單神經(jīng)元PID控制方法,雖然可以優(yōu)化電機啟動性能,但控制器增益無法實現(xiàn)自我調(diào)節(jié);文獻[8]中采用滑模變結(jié)構(gòu)對永磁同步電機進行控制,但滑模軌跡在進行反向切換時不能連續(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)子永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型
雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機是一種新型電機,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,在建立電機數(shù)學(xué)模型前,做如下理想化假設(shè)[9]:
(1)電機各相繞組結(jié)構(gòu)對稱;
(2)電機具有正弦形反電動勢波形;
(3)忽略磁路飽和;
(4)忽略磁滯損耗。
參照普通永磁電機,可得雙轉(zhuǎn)子電機的數(shù)學(xué)模型[10],如下所示:
2 控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計
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。
圖2中r(k)為給定轉(zhuǎn)速信號,n(k)為實際反饋信號,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)與實際輸出信號n(k)之間的誤差作為控制偏差:
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:
采用上述學(xué)習(xí)規(guī)則系統(tǒng)可自動調(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,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,無法動態(tài)調(diào)節(jié),選擇起來十分困難,K值過高,會使得系統(tǒng)超調(diào)過大,增加系統(tǒng)響應(yīng)時間;過低則系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢,實時性得不到保障。
2.2 單神經(jīng)元模糊PID控制器設(shè)計
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)計了單神經(jīng)元模糊PID控制器,其原理圖如圖3所示。
基于單神經(jīng)元PID控制的缺點,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。
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。
3 仿真結(jié)果及分析
基于MATLAB搭建了電機矢量控制和單神經(jīng)元模糊PID控制兩種仿真控制模型,電機的各項參數(shù)如下所示:電機極對數(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)定仿真模型起始時間為0 s,停止時間為0.5 s,初始給定速度值為100 rad/s;在0.15 s時內(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時內(nèi)外電機轉(zhuǎn)子力矩由1 N·m變?yōu)?.5 N·m。在此仿真基礎(chǔ)上,分析電機的輸出特性和響應(yīng)速度。并且將實驗結(jié)果與傳統(tǒng)的矢量控制方法進行對比試驗,從而可以驗證本次所設(shè)計的雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機數(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)外電機的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線具有較大的超調(diào)量和較長時間的震蕩調(diào)整過程;對于電機的力矩,當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時,力矩變化明顯;而對于三相電流,在電機達到預(yù)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時,三相電流變化幅度較大,電機在較長時間里方能達到設(shè)定值。
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,可以看到電機在較短時間里轉(zhuǎn)速達到了設(shè)定值100 rad/s,當(dāng)電機到達穩(wěn)定速度并持續(xù)一段時間以后,在0.15 s時將內(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,內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速都快速地達到了給定的轉(zhuǎn)速,響應(yīng)速度較快。同樣地,可以看到內(nèi)外電機的力矩響應(yīng)曲線,在較短時間里面內(nèi)外轉(zhuǎn)子力矩達到了給定值,從圖10看出內(nèi)外電機的電磁轉(zhuǎn)矩保持在給定值1 N·m的電磁轉(zhuǎn)矩不變。持續(xù)一段時間以后。由于在0.15 s時設(shè)定轉(zhuǎn)速變大,使得內(nèi)外轉(zhuǎn)子力矩發(fā)生波動,但是從圖10可知,力矩很快恢復(fù)到穩(wěn)定值。當(dāng)電機三相電流在給定內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和力矩的情況下,在較快速度下達到穩(wěn)定值,在達到穩(wěn)定穩(wěn)定狀態(tài)并持續(xù)一段時間以后,由于轉(zhuǎn)速發(fā)生改變,使得三相電流出現(xiàn)了波動,但是隨后快速穩(wěn)定下來,如圖11所示。在0.25 s時人為將力矩變?yōu)?.5 N·m,從圖10可以看出電機內(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,電機的力矩響應(yīng)非常迅速,很快就達到了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,能夠快速的響應(yīng),達到較理想的穩(wěn)定狀態(tài)。
總的來說,仿真結(jié)果表明,本文所設(shè)計的雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(DRPMSM)單神經(jīng)元模糊PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果在運行過程中,轉(zhuǎn)速、力矩、三相電流都能保持平穩(wěn),當(dāng)轉(zhuǎn)速、力矩在某時間段里改變的情況下,也能夠在短時間里穩(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(DRPMSM)的工作原理,建立了電機的數(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控制方法運行響應(yīng)速度都達到了預(yù)期的實驗效果,相比于傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)具有更好的動靜態(tài)性能。通過仿真結(jié)果的分析,深入了解了雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機的轉(zhuǎn)速、力矩和相電流各自的特點和它們之間的相互影響。同時,本次試驗結(jié)果也為進一步分析和設(shè)計雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(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,使控制器性能達到最優(yōu)還有待進一步實驗分析,在今后的研究中,相信對于本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、電機數(shù)學(xué)模型的改進以及控制算法的創(chuàng)新會是雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機研究的重點。
參考文獻
[1] 孟昭鶴.水下航行器用雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機控制器的研究與實現(xiàn)[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2010.
[2] 崔總澤,李子健,項群杰,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].中國電機工程學(xué)報,2014,34(36):6499-6505.
[3] 莫麗紅,全力,朱孝勇,等.定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機設(shè)計與實驗研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2014,29(9):74-82.
[4] 李紅偉,王洪誠.永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的VisSim建模與仿真[J].電機與控制學(xué)報,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].計算機工程,2014,40(10):224-227.
[6] 韓建群,鄭萍.永磁同步雙轉(zhuǎn)子/雙定子電機轉(zhuǎn)速的模糊控制[J].吉林大學(xué)學(xué)報(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.永磁同步電機滑模自適應(yīng)控制[J].計算機仿真,2015,32(2):337-341.
[9] 曹江華,楊向宇,肖如晶.雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機的設(shè)計與有限元分析[J].電機與控制應(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)