电 设计 ＰＭＳＭ速度环动态响应改进方法分析 耿向东 （山东垦利石化集团有限公司，山东东营２５７５００） ［摘要］ 为提升永磁同步电机转速环的动态响应能力，研究了预测控制的转速环控制系统，借助ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 环境搭建了ＰＭＳＭ矢量控制双闭环系统仿真模型。通过仿真并与传统的ＰＩ控制器对比可知，该控制算法具 有调节简单、响应快的优点。 关键词永磁同步电机预测控制鲁棒性 中图分类号ＴＭ３４１ ０引言 永磁同步电机（ＰＭＳＭ）具有内部结构简单、运行可 靠、功率因数高的优点，因而得到广泛应用。永磁同步电 机伺服系统是一个非线性、干扰多、参数时变的复杂系 统，参数变化时传统ＰＩ控制整定较复杂，不能满足相关 要求。预测控制以优良的控制特点和性能而被大量应用于 加工制造业等领域，因为预测控制计算方法的在线运算量 大、需整改的参考值多、采取一次样品的时间周期获取困 难等，所以对ＰＭＳＭ随动系统的动态反应过程难以适 应，需要对其加以改进和完善。为此，本文根据预测函数 控制（ＰＦＣ）具有的运算方法简便、在线时时计算任务量 小、跟踪速度快、管理精确度高等特点，结合永磁同步电 机的矢量控制策略，设计了ＰＦＣ－ＰＩ串级控制的永磁同步 电机交流伺服系统，并进行了仿真分析ｌ＿】 ］。 １ ＰＭＳＭ模型 预测控制策略的实施依赖于合适的模型，ＰＭＳＭ的动 态模型是非线性强耦合的，若ＰＩ参数整定得当，且电流 环的动态性比转速环快很多，则可认为采样电流 与参考 电流 相等，电流环的传递函数简化为Ｇ （ｓ）一１。 ＰＭＳＭ的简化框图如图１所示 。 图１ ＰＭＳＭ的简化框图 ２ ＰＦＣ－ＰＩ串行控制 ＰＦＣ具有与一般预测控制算法相同的三项基本原理， 即模型预测、滚动优化、反馈校正。在实际应用中，ＰＦＣ 将控制输入结构化，即把每一时刻的控制输入视为若干事 先选定的基函数的线性组合，然后通过在线优化求出线性 加权系数，最后得到未来的控制输入，即系统的最终输出 收稿日期：２０１６—１ｌ—Ｏ１ ７２ Ｊ ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｅｔ．ｎｅｔ ｌ中国电工网 是上述基函数作用于对象响应的加权组合。基函数的选取 依赖于设定轨迹和对象的性质。ＰＦＣ＿＿ＰＩ串级透明结构如 图２所示。 图２ ＰＦＣ。ＰＩ串级透明结构图 对于ＰＩ控制的高阶渐进稳定系统，通过ＰＩ参数的调 节总可简化得到一阶加纯滞后的广义对象，因此电流内环 用高采样率的ＰＩ控制，整个内环路作为ＰＦＣ的广义对象 处理。这不但有利于减小干扰引起的偏差，而且也有利于 外环的设计。在此基础上，外环可通过ＰＦＣ控制来获得优 良性能。具有ＰＦＣ的ＰＭＳＭ闭环控制如图３所示。 图３具有ＰＦＣ的ＰＭＳＭ闭环控制图 ３仿真分析 为了验证ＰＦＣ控制器效果，在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环 境中搭建了矢量控制与ＰＦＣ－ＰＩ控制相结合的ＰＭＳＭ系统 的仿真模型，如图４所示。仿真中，电机模块与逆变器模 块均通过相应的方程搭建而成，选择的电机参数见表１。 为验证ＰＦＣ控制器的控制性能，转速环分别采用ＰＩ 控制策略与ＰＦＣ控制策略进行了仿真研究，研究在不同条 电气设计 件（指令转速、模型参数失配、加减负载等）下的转速响 应，其中仿真中的速度反馈为理想的速度值，未考虑编码 器精度和量化误差。考虑到实际二ｒ＝程情况．ＰＦＣ控制器参 ／ 数根据Ｌ述策略设计，选择ＰＦＣ控制器采样周期 一０．２ ＦＩ１Ｓ。参考轨迹的期望闭环相应时问Ｔｒ一０．０５ｍｓ，仿真步 数Ｐ一６，权重矩阵Ｑ一／６×６，输入权重系数ｒ一１．结合 电机参数得到ＰＦＣ控制器的相关控制参数一 。仿真模型 如图４所示。 表１电机参数 项目 ０ Ｐ＿ｌ摆 削 ｝ ｃ控制 『Ｉ ００ｌ ［】０２ ０【｝３ ．． ０（１４ 【）【 时闻／ｓ 图６空载阶跃给定转速１ ５００ｒ／ｍｉｎ的速度响应波形图 定子相电阻ｍ 定孑ｄ轴电感／Ｈ ／ ＰＩ控制 定子ｑ轴电感／Ｈ 极对数 ｛ 『 ＼ 辖子磁链／Ｗｂ 额定电流／Ａ 额定输出转矩／ （Ｎ・ｎ 、Ｉ】Ｆ【． 控制 额定转速／（ｒ／ｒａｉｎ） 额定功率／ｗ 转动惯量／（ ・ｎｒ） ４结束语 本文给出了ＰＦＣ—ＰＩ串级控制的永磁同步电机转速控 ＿ｌ Ｉ１ 制器。将预测函数控制方法，结合伺服电机的基本模型， 图４ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型图 应用到转速环控制中，通过ＭＡＴＩ ＡＢ，／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对其进行 了仿真验证。仿真结果表明，与传统Ｐ１控制器相比．预 测函数控制具有调节简单快速、平稳无超调等优点。 参考文献 图５、图６为Ｐ１调节器与ＰＦＣ控制器空载启动，给 定转速分别为５００ｒ／＇ｍｉｎ和起始转速为２０ｒ ／ｍｉｎ．阶跃给定 转速为１ ５０Ｏｒ／＇ａｉｒｎ时的速度响应波形。 ｘ－￣ Ｉ控制； ＰＦ（： 控铷 ［１］郑泽东，李永东．永磁同步电机伺服控制系统的研究现状及 发展Ｉ－Ｊ］．伺服控制，２０Ｏ８（１２）：２０ ２２ ［２］陈虹，刘志远，解小华．非线性模型预测控制的现状与问题 ［Ｊ］．控制与决策，２００１，１６（４）：３８５—３９１ ［３］夏泽中，张光明．预测函数控制及其在伺服系统中的仿真研 究＿Ｊ］．中国电机工程学报，２００５．２５（１４）：１３ｏ一１３４ ｆ ＩＪ Ｕ ０１ ００２ 【Ｊ０３ ＬＪ０４ ０ ０５ 时间 ［１４］胡家升．潘红华。苏宏业，等．预测函数控制系统的闭环性能 分析１．ｆ］．控制理论与应用，２００１，１８（５）：７７４—７７８ 图５空载给定转速５００ｒ／ｍｉｎ的速度响应波形图 当负载突变时，冈７为电机空载启动，给定转速为 ５００ｒ／ｒａｉｎ时．在０．１ｓ ＨｅＷｎ入１Ｎ・ｍ的负载．在０．３ｓ时 将负载减为零，两种控制策略下转速的对比波形图。 （上接第４５页） 参考文献 ［５］刘铜，李圣怡，范大鹏．机电伺服系统的预测函数控制算法研 究［Ｊ］．国防科技大学学报．２００４．２６（２）：８９ （编辑丘石） ［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１２ ［２］赵兵，胡玉岚．直流系统微机型绝缘监察装置问题的探讨 ［Ｊ］．广东电力，２００９，２２（４）：４３—４５ （编辑杨正君） ［１］帅军庆，张丽英．张启平，等．十八项电网重大反事故措施 ２０１７１ ３（Ａ）期１ ７３