前言

本章節(jié)采用工程設(shè)計(jì)的方法，推導(dǎo)出電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算公式，由此來設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)磁場定向控制的電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，并通過Matlab/Simulink對設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行Bode圖分析，最后通過一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

一、調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法

要實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法，首先要簡化問題，突出設(shè)計(jì)的主要矛盾。 簡化的基本思路就是把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分成兩步：

1、選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度

2、再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的要求

選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)能滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度，這是設(shè)計(jì)過程中的第一步。 由于III型及III型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定，因此常把I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

二、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定

工程設(shè)計(jì)方法的原則是：先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)后設(shè)計(jì)外環(huán)，因此對于永磁同步電機(jī)磁場定向控制系統(tǒng)先設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器，將電流環(huán)校正為 典型I型系統(tǒng) 。

2.1.電流環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖

對表貼式SPM永磁同步電機(jī)，多采用Id=0來進(jìn)行控制，使定子電流全部用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 由于dq軸電流內(nèi)環(huán)具有對稱性和相似的系統(tǒng)特性，所以d軸和q軸的電流調(diào)節(jié)器參數(shù)整定過程類似，本章節(jié)以q軸電流調(diào)節(jié)器參數(shù)整定為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

上圖為控制系統(tǒng)電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖，q軸電流給定值iq*與q軸電流反饋值iq的誤差為電流環(huán)的輸入，該誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器輸出q軸電壓控制信號Uq，通過Uq控制電磁轉(zhuǎn)矩。

通過下述處理，進(jìn)一步簡化電流環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖

電流環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖簡化為：

2.2.典型I型系統(tǒng)

取T=0.001，K=100，繪制典型I型系統(tǒng)的Bode圖：

由上圖，典型I型系統(tǒng)對數(shù)幅頻特性的中頻段以-20dB/dec斜率穿越0分貝線，只要參數(shù)選擇能夠保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的。 典型I型系統(tǒng)中只包含開環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T兩個(gè)參數(shù)，時(shí)間常數(shù)T往往是控制對象本身固有的，系統(tǒng)唯一可變的只有開環(huán)增益K，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)性能指標(biāo)選擇K的大小。

但是上式也表明，K值越大，截止頻率wc也就越大，系統(tǒng)的響應(yīng)越快，但相角裕度越來越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性越來越差，系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性之間存在矛盾，具體選擇參數(shù)K時(shí)二者應(yīng)折中處理。 工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)參數(shù)表進(jìn)行K值的選取。

2.3.電流環(huán)PI參數(shù)整定計(jì)算公式

三、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1.永磁同步電機(jī)磁場定向的電流閉環(huán)控制

有關(guān)永磁同步電機(jī)磁場定向的電流閉環(huán)控制的詳細(xì)分析，請閱讀。

3.2.電流環(huán)PI參數(shù)計(jì)算

電機(jī)參數(shù)如下：

設(shè)定電流環(huán)采樣頻率為20KHz，即Ts=0.00005s，由電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算公式得：

繪制該系統(tǒng)的Bode圖如下：

截止頻率wc=4550，相角裕度65.5度，與下表KT=0.5所述的系統(tǒng)性能指標(biāo)一致，表明PI控制器設(shè)計(jì)成功。

下圖為該系統(tǒng)閉環(huán)傳函的Bode圖，從圖中可已看出該系統(tǒng)的帶寬頻率約為7100rad/s。

3.3.仿真分析

將Kp=5.25，Ki=3750帶入電流閉環(huán)仿真模型dq軸的PI調(diào)節(jié)器中進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如下：

電機(jī)轉(zhuǎn)速：

電機(jī)定子電流：

轉(zhuǎn)子位置：

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流Id、Iq：電機(jī)啟動時(shí)以設(shè)定的最大電流1A進(jìn)行啟動，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)電流立即降了下來，實(shí)現(xiàn)了理想最優(yōu)的啟動過渡過程，反映出電流控制器參數(shù)設(shè)計(jì)成功，當(dāng)然如果控制效果不好可以在工程設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)微調(diào)。

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電壓：

電磁轉(zhuǎn)矩：

總結(jié)

本章節(jié)采用工程設(shè)計(jì)的方法，推導(dǎo)出了電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算公式，由此來設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)磁場定向控制的電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，并通過Matlab/Simulink對設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行了Bode圖分析，最后通過一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，為后文的分析奠定基礎(chǔ)。