永磁同步調速系統自整定PI速度控制器設計

1 引言
永磁同步電機(PMSM)具有很多傳統電機不具備的優勢。它無電刷和滑環，轉動慣量小，轉矩脈動小，因而具有體積小，質量輕，功率損耗小等特點，并且隨著電力電子技術和稀土永磁材料的快速發展，PMSM得到了廣泛推廣和應用。
對于PMSM的控制，目前應用最多的是雙閉環控制且多采用PI調節器。經典的PI調節器工程設計法簡單實用，但是會忽略很多因素，需要很多近似條件，并且在調節器參數不準確的情況下，所實現的控制效果往往不能達到預期要求，尤其是在給定值頻繁變化的情況下。而模糊控制、神經網絡控制等雖然能夠通過增益自整定實現較好的控制效果，但又相對復雜、繁瑣。
出于這種原因，這里采用了一種相對簡單的增益自整定PI調節器的設計方法。利用此方法，基本可以實現類似于手工調節的過程，無需人為地對參數進行計算或整定。
為了驗證理論分析的正確性及所采用的增益整定PI控制器的性能，這里利用Matlab進行了仿真，并且進行了相關實驗。由仿真和實驗結果可知，所提出的增益整定PI控制器的控制效果基本滿足一般的控制要求。

2 原理與設計
2．1 永磁同步電機模型
2．1．1 永磁同步電機的數學模型
根據PMSM控制理論，正弦波PMSM一般沒有阻尼繞組，轉子磁通由永久磁鋼決定，是恒定不變的，可采用轉子磁鏈定向控制，即將兩相旋轉坐標系的d軸定在轉子磁鏈ψr方向上，無需再采用任何計算磁鏈的模型。因此PMSM在d，q軸上的磁鏈方程簡化為：
ψd=Lsdid+ψr，ψq=Lsqiq (1)
式中：id，iq為d，q軸電流；Lsd，Lsq為定子在d，q軸的電感。
d，q軸電壓方程簡化為：

式中：Rs為定子電阻；ωt為轉速；p為微分算子。
轉矩方程為：
Te=np(ψriq-ψqid) (3)
2．1．2 永磁同步電機雙閉環控制系統模型
一個典型的磁場定向PMSM雙閉環控制系統如圖1所示。