摘 要 ：本文設計了一種二維模糊PID控制器作為SVPWM異步電機矢量控制系統的電流調節器，以改善這類系統電流的動穩態性能。基于對矢量控制中d、q軸電流響應性能的不同要求，論文給出了兩種控制方案。仿真實驗結果說明，電流環采用模糊PID控制器比采用常規的PI控制器具備更好的動穩態性能。 1 引言 在矢量控制異步電機調速系統中，定子電流的控制通常有兩種方式：一種是經矢量變換后得到定子三相電流的瞬時給定值，由三個電流調節器分別對三相交流電流進行閉環調節，即電流控制在三相靜止坐標系下進行。另一種是將電流控制放在同步旋轉坐標系下，電流環包括d軸電流環和q軸電流環，分別對d軸電流和q軸電流進行控制。目前，d軸電流環和q軸電流環通常采用常規PI調節器進行控制，存在的主要問題是q軸電流iq響應的超調量與快速性之間矛盾突出；實際的d軸電流id易受q軸電流iq影響，抗擾能力不強。 本文設計一種模糊PID電流控制器，基于模糊邏輯原理實現常規PID參數Kp、Ki、Kd的在線自整定。為增強d軸電流環的抗擾能力，本文提出將d軸采用模糊PID電流控制器，q軸采用常規PI控制器的控制方案；為改善q軸電流的動穩態性能，本文提出將q軸采用模糊PID電流控制器，d軸采用常規PI控制器。仿真結果表明，兩種方案達到了預期的目的，明顯改善電流環的控制性能。 2 感應電機矢量控制模型 d-q同步旋轉坐標系中,把定子電流和轉子磁鏈作為狀態變量時,三相感應電動機的定子電流與轉子磁鏈關系式如下： 式中：id，iq —d、q方向的定子電流； vd，vq —d、q方向的定子電壓； —d、q方向轉子磁鏈； Rs，Rr —定子和轉子阻抗； Ls，Lr，Lm —定子電感、轉子電感及互感； we，wr，ws —同步角速度、轉子角速度及 轉差角速度。 并且: 此外，轉矩關系式為，其中轉矩常數. 感應電機矢量控制就是將同步速度旋轉的轉子磁通矢量投影于d軸方向時，則轉子q軸方向磁鏈，并把代入式（1）得到: 式中idr,iqr表示d方向和q方向轉子電流。此時，轉矩表達式為： 由此得到矢量控制的SVPWM異步電機調速系統基本框圖如圖1[1]。從圖中可以看出，實際定子三相電流經過3/2變換得到dq坐標下兩相電流，與給定電流值比較得到誤差值，然后通過電流調節器，輸出dq坐標下兩相電壓。電流調節器作為系統內環。 3 模糊PID電流控制器的設計 以常規PID控制為基礎，采用模糊推理思想根據不同的誤差E和誤差變化率EC對PID參數進行在線自整定。本文設計出兩輸入三輸出的模糊PID控制器，以誤差E和誤差變化率EC作為輸入，PID控制器的三個參數即比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd作為輸出。模糊自整定系統框圖如圖2所示。 在PID控制器中，考慮Kp、Ki、Kd三個參數對系統性能的影響：Kp的作用在于加快系統的響應速度，提高系統的調節精度，但Kp過大將導致系統不穩定；Ki的作用在于消除系統的穩態誤差；Kd的作用在于改善系統的動態特性。對于不同的誤差絕對值|E|和誤差變化率絕對值|EC|，參數Kp、Ki、Kd整定的一般原則如下[2]: （1）當|E|較大時，可取較大的Kp與較小的Ki，使系統具有快速的響應，同時為避免出現較大的超調，應對積分作用加以限制，常取Ki=0; （2）當|E|處于中等大小時，為使系統響應具有較小的超調，Kp應取得較小。Ki的取值要適當，Kd的取值對系統響應的影響較大; （3）當|E|較小時，為使系統具有較好的穩定性能，Kp與Ki均應取得大些。同時為避免系統在設定值附近出現振蕩，Kd值的選擇根據EC來確定：當|EC|值較小時，Kd取大些。當|EC|值較大時，Kd取較小值，一般Kd為中等大小; 根據上述原則，找出PID控制器的各個參數Kp、Ki、Kd與誤差絕對值|E|和誤差變化率絕對值|EC|之間的模糊關系，通過不斷檢測|E|和|EC|的變化情況，根據模糊控制規則對三個參數進行在線修改，以滿足不同|E|和|EC|對控制器參數的不同要求，從而使被控對象具有良好的動靜態性能。 設定輸入變量E和EC語言值的模糊子集為｛負大，負中，負小，零，正小，正中，正大｝，并簡記為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，將誤差E和誤差變化率EC量化到｛-3，3｝的區域內。同樣，設計輸出量Kp、Ki、Kd的模糊子集為｛ZO，PS，PM，PB｝，并將其量化到區域｛0，3｝內。輸入輸出變量的隸屬函數曲線如圖3所示。 4 基于模糊自整定PID電流控制器的系統仿真 為驗證模糊PID電流控制器的控制性能,在MATLAB里建立帶模糊自整定PID電流控制器的矢量控制SVPWM型異步電機調速系統。以5.5kW兩對極異步電機為控制對象，感應電機基本參數如下：In=13A，Rs=0.813Ω，Rr=0.531Ω，Ls=3.86mH，Lr=6.35mH，Lm=102.4mH, J=0.02kgm2。 圖4是SVPWM異步電機調速系統的SIMULINK仿真模型，功率變換器直流側電壓為540V，id給定值為7.3A，電流環采樣時間50us,速度環采樣時間1ms。 為便于對比,基于參數最優化原則,首先為電流環設計兩個常規PI控制器,得到的最佳參數Kp=62,Ki=7750。d、q軸電流環采用該常規PI控制器時的仿真結果是：受iq變化影響的id變化范圍為[6.1，8.17];iq上升時間為700μs，最大超調量5.3%。 基于對d、q電流環的不同控制要求，提出以下兩種控制方案: （1）方案一：q軸電流環采用模糊PID控制器、d軸電流環采用常規PI控制器 此時考察iq響應的快速性和超調情況。在0.1s時速度給定從零階躍變化到1000r/min，電流及轉速響應曲線如圖5所示。iq響應曲線顯示，上升時間為600μs,最大超調量為3.5%。在同等條件下，iq采用PI控制器時，上升時間為700μs，最大超調量5.3%。可見iq采用模糊PID控制器比采用常規PI控制器快速性更好，超調量更低。 （2）方案二：d軸電流環采用模糊PID控制器、q軸電流環采用常規PI控制器 此時考察d軸電流環的抗擾能力。速度給定在0.1s時從0階躍變化到1000r/min，電流及轉速響應曲線如圖6所示。從圖中可以看到iq變化時，id基本不受影響，其變化范圍[6.29，7.98]，較之常規PI控制器的變化范圍[6.1，8.17]有明顯改進。說明d軸電流環采用模糊PID控制器能提高其抗擾動能力。 5 結束語 本文設計了一種模糊PID電流控制器來改善SVPWM異步電機調速系統的電流控制性能。針對d、q軸電流響應性能的不同要求，給出了兩種控制方案。為加強d軸電流環的抗擾能力，提出iq采用常規PI控制器，id采用模糊PID控制器的控制方案；為改善iq的動穩態響應性能，提出id采用常規PI控制器，iq采用模糊PID控制器的控制方案。仿真結果表明，兩種控制方案都達到了預期的效果。