前言

本章節(jié)采用工程設(shè)計的方法，推導(dǎo)出電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算公式，由此來設(shè)計永磁同步電機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)計的PI調(diào)節(jié)器進行Bode圖分析，最后通過一個設(shè)計實例進行仿真驗證。

一、調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法

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

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)計的目標。

二、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定

工程設(shè)計方法的原則是：先設(shè)計內(nèi)環(huán)后設(shè)計外環(huán)，因此對于永磁同步電機磁場定向控制系統(tǒng)先設(shè)計電流內(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，多采用Id=0來進行控制，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)整定為例進行設(shè)計。

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和時間常數(shù)T兩個參數(shù)，時間常數(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)計時根據(jù)性能指標選擇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時二者應(yīng)折中處理。 工程設(shè)計時，一般參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)性能指標參數(shù)表進行K值的選取。

2.3.電流環(huán)PI參數(shù)整定計算公式

三、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器設(shè)計實例

3.1.永磁同步電機磁場定向的電流閉環(huán)控制

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

3.2.電流環(huán)PI參數(shù)計算

電機參數(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)性能指標一致，表明PI控制器設(shè)計成功。

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)器中進行仿真分析，結(jié)果如下：

電機轉(zhuǎn)速：

電機定子電流：

轉(zhuǎn)子位置：

同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子電流Id、Iq：電機啟動時以設(shè)定的最大電流1A進行啟動，當轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)態(tài)值時電流立即降了下來，實現(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)計成功，當然如果控制效果不好可以在工程設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上進行參數(shù)微調(diào)。

同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子電壓：

電磁轉(zhuǎn)矩：

總結(jié)

本章節(jié)采用工程設(shè)計的方法，推導(dǎo)出了電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算公式，由此來設(shè)計永磁同步電機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)計的PI調(diào)節(jié)器進行了Bode圖分析，最后通過一個設(shè)計實例進行了仿真驗證，為后文的分析奠定基礎(chǔ)。