带修正因子模糊PID控制的PMSM交流伺服系统

2 系统仿真模型

本系统采用MATLAB7．0强大功能的Simulink仿真模块进行仿真。仿真中设置PMSM参数如下：

定子电阻R=2．875 Ω；电枢电感Ld=Lq=8．510-3H；磁通φ=0．175 Wb；极对数p=4。并且设置电机在O．2 s时转矩由4 Nm突变为7 Nm；转速给定为700 r/min。图2给出了系统仿真框图。



本系统采用的是基于数字信号处理器(DSP)的全数字交流伺服系统。这样控制函数都可通过软件编程在DSP里实现，而不用另建硬件电路，使得整个系统结构变得简单紧凑。而且全数字控制使得伺服系统的可靠性更高，控制参数比硬件电路更易调整。

系统主要包括：

1)磁极位置检测模块和电流检测模块；

2)速度环和电流环控制；

3)坐标变换模块；

4)空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块；

5)整流器和逆变器模块。

系统中功率模块驱动采用目前最常用的脉宽调制(PWM)优化方法SVPWM，它能明显减少逆变器输出电流的谐波成份和电机的谐波损耗，降低脉动转矩。随着DSP技术的发展，计算功能的加强，存储容量的增大，使得PWM的数字化实现越来越方便。

电流环采用PI控制算法，速度环采用fuzzy-PID控制，电流调节器和转速调节器采用带饱和限幅的PI调节器。

电流环电枢电流的反馈值与电流的指令信号进行比较得电流误差，由电流环调节器按误差进行调节控制，使电流快速跟随指令值变化，稳态时电流无静差。电流控制器输出的经旋转/静止坐标系变换到静止坐标系下的Vα和Vβ后，再通过功率驱动模块得到电机三相绕组的电压Va、Vb和Vc；检测绕组电流经过静止/旋转坐标系变换到旋转坐标系下的id和iq。

速度环中速度指令信号与速度反馈信号的速度误差，由速度调节器按速度误差进行调节控制，使电动机转速快速跟随指令值变化，稳态时速度无静差，动态时限制转速超调，会大大减小负载变化对转速变化的影响。同时，由于转速负反馈的作用，检测转子角速度并经过系数转换得到转子的实际转速。检测变量与参考变量比较后的误差作为速度环和电流环的输入，从而构成了整个系统的闭环控制。

3 系统仿真结果

为了比较PID控制和Fuzzyr-PID控制性能，图3和图4给出了分别采用PID控制和Fuzzy-PID控制时的速度阶跃响应。



由图可以看出，当采用PID控制时，速度出现超调和振荡现象，这将在电机启动过程中造成很大的冲击；采用Fuzzy-PID后，无超调和振荡现象，鲁棒性好，系统响应速度明显改善。

图5和图6为对本系统采用Fuzzy-PID)控制时转矩Te和转速n的仿真图。由图可知，当负载转矩在0．2 s由4Nm突然增至7Nm时，转矩很快调整到新的稳定值；同时由于SVPWM的连续调节，转矩的脉动小；而转速在O．2 s时稍微下降，后迅速恢复原速度。






由此可见，系统所采用的控制策略具有跟踪性能好、响应速度快、过渡时间短、无超调、稳定性好以及控制精度高等特点，这与前面的理论分析是一致的。

4 结 论

本文将fuzzy控制和PID控制相结合，应用到PMSM交流伺服控制系统当中，不仅避免了控制器的设计时受被控对象的复杂数学模型的限制，而且克服了伺服系统的时变性、强耦合性和不确定性因素的影响，提高了系统响应速度和控制精度，跟踪性能好。另外，为了改善模糊控制器的性能系统控制，利用修正因子对模糊控制器的参数进行在线修改，保证了系统具有良好的动态和静态性能和鲁棒性，证明了此方法的正确性和可行性。