第 47卷 第 9期 2013年 9月 电 力 电 子 技 术 Power Electronics Vo1．47，No．9 Septem ber 2013 基于单神经元 PID的永磁同步电机解耦控制 李 晓 宁 ，刘 洋 ，叶 小龙 ，赵 现 枫 (电子科技 大学 ，机械 电子 工程学 院 ，四川 成都 611731) 摘 要 ：永磁 同步 电机 (PMSM)数学模 型可简 化 为一个两输 入两输 出的非线性 系统 。神经 网络具有逼 近任 意复杂 非 线性 系统 的能力 ，将经 典 比例 一积分．微 分 (PID)控 制 与单 神经 元结 合 ，可 构造 出单 神经 元 PID，实现 对 PMSM 的解 耦控 制。仿真 和实验 结果表 明该系 统模型 响应速 度快 ，稳 定性 强 ，动 、静态性 能 良好 ，鲁棒性很 好 。 关键 词 ：永磁 同步 电机 ；单神经元 ；比例 ．积分一微分 中 图分 类 号 ：TM351 文 献标 识 码 ：A 文章 编号 ：1000—100X(2013)09—0058—02 Decoupling Control of PM SM Based on Single Neuron PID LI Xiao-ning，LIU Yang，YE Xiao-long，ZHAO Xian—feng (University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China) Abstract：The mathematical model of permanent magnet synchronous motor(PMSM )can be simplified as a nonlinear system with two inputs and outputs．Neural network can be similar to any nonlinear system．The classical proportional— integral—differential(PID)and the single neuron can be combined to construct the single neuron PID，realizing the decoupling control of PMSM．The simulation and experimental results show that the whole control system response quickly and stably，owning good dynamic and static perform ance，as well as good robustness． Keywords：perm anent magnet synchronous motor；single neuron；proportional—integral—differential Foundation Project：Supported by National Natural Science Foundation of China(No．60971037) 1 引 言 PMSM具 有 效 率 高 、功 率 密 度 大 、转 子 损 耗 小 、 可 靠 性 高 、动 态 性 能优 良等 特 点 ，故 在 很 多 场 合 得 到 广 泛 应用 [11。同 时 ，PMSM 是 一 个 多变 量 、强 耦 合 的系 统 ，为得 到 高 效 能 的 PMSM 速 度 控 制 系 统 ，应 用 时 需 对 其进 行 解 耦 。随着 控 制 理 论 的 发展 ，多 种 解 耦 控 制 方法 应 运 而 生 。神 经 网络 控 制 是 智 能 控 制 中 的一 种 ．具 有 任 意 精 度逼 近 性 ，对 系 统 数 学 模 型 精 度 要 求 不 高 ，鲁 棒 性 和 容错 性 强等 优 点 『2_。 f Ud=d~Jdt-w +Rid，Uq=d~q／dt+to ~d+Ri ，、 【qZd=Ldid+ ， = qiq， =凡p[ q+(Ld-Lg) q】 式中 ： ， 为定子 电压 d，q轴分量 ；id，iq为定子 电流 d，q轴 分 量 ； ， 。为 定子 绕 组 自感 ， = 。=L；R 为 定 子绕 组 电 阻 ； ， 为 磁 链 d，q轴 分 量 ； 为 转 子 机 械 角 速 度 ； 为 永磁体 磁链 ，为 常数 ； 为负载转 矩 ； 为极对数 。 设 “i =d d +尺 ，Uinq=d~Fq／dt+Riq，贝U有 ： = (Uind--／~d)／( gig)，ia=(配g—Mi ) q／(Mi 一 d)～ ／ d(2) 3 PMSM 单 神 经 元 PID 系 统 模 型 的 构 建 这 里将 神 经 网络 和经 典 PID相 结 合 。通过 神 经 3．1 单神 经 元 解 耦 与 PMSM 控 制 的结 合 PID 网络 调 节 PID 参 数对 PMSM 进 行 解 耦 控 制 ，可 弥 矢 量 控 制 是 PMSM 解 耦 控 制 的常 用 方 法 ，如 补 PID控 制对 数 学模 型 的依 赖 和对 扰 动 的无 力 。 图 1所 示 。该 系统 采用 双 环控 制 ，外环 是速 度 环 ，内 2 PM SM 数 学 模 型 分 析 若 取 永 磁 体 基 波 励 磁轴 线 (磁 极 轴 线 )为 d轴 (直 轴 )，顺 着 转 子 旋 转方 向超 前 d轴 90。电角 度 为 g轴 (交轴 )，d，g坐标系以角速度 随转子一同旋 环 是 电流环 ，采 用 id=O进 行 控 制 『31。 —69丫茸 Ud 鎏团Ua! ! 竺 L )~ 一f五 F}_．[亘 鲨挛 ：：：：： ： ：：1 9 … 9 [ iq* Or Park 变 换 三 ／／ abe — —— —、 PM SM 转 。其 空 间坐 标 以 d轴 与 a轴 间 的 电角 度 0 来 确 ． — 置 及 速 度 定 。PMSM 在 d，q坐标 系 下 的数 学 模 型 为 ： 图 1 PMSM 矢 量 控 制 原 理 图 基 金 项 且 ：国 家 自然 科 学 基 金 (60971037) 定 稿 日期 ：2013—05—02 作 者 简 介 ：李 晓 宁 (1972一)，男 ，江 苏 常 州 人 ，硕 士 ，高级 工 Fig．1 Principle diagram of the vector control of PMSM 矢 量 控制 中 id=O，且 在 由 ccJ 和 i 分 别转 化 为 空 间 矢 量 脉 宽 调 制 (SVPWM)所 需 的 U 和 过 程 中 程 师 ．研 究 方 向 为 非 接 触 性 电 能 传 输 、电机 智 能 控 制 等 。 采 用 PID控 制 ，这 就 需 对 比例 、积 分 、微 分 参 数 进 58 

第 47卷 第 9期 2013年 9月 电力 电子 技 术 Power Electronics 行 人 为设 置 ，不 仅 费 时费 力 ，也 很难 得 到理 想 参数 ， 对 系 统 的快 速 性 、超 调量 及 稳 定 性 带 来 不 良影 响 。 单 神 经 元 PID 控 制 器 具 有 学 习 和 自适 应 能 一 笔 Z 皂 0 力 ．通 过 在 线 学 习 ，根据 PMSM 参 数 发 生 变 化 时 对 3 Vo1．47，No．9 September 2013 》0 0一 I ● - l I ；互 - 0 霉萼 壹 喜 1 — — 斗— 一 ；0 ． 。 ． t／(500 ms／格) 系 统 输 出性 能 的影 响 调 整 连 接 权 值 ， 自动 调 节 系 统 中比例 、积分和 微分作用的强弱 ，且在系统参数 发 生 变 化 、受 到 外 界 扰 动 时 ，可 自动 调 节 参 数 ，以 使 系 统 重 新 达 到 稳 定 。因此 ，采 用 单 神 经 元 PID取 代 传 统 PID实 现 对 PMSM 的控 制 ，不 仅 省 时省 力 ， f／(1 s／格) (a】_转 速 和转 矩 响应 (b)转矩 周 期变 化 时转 速 响应 图 3 仿 真 结 果 Fig．3 Simulation results 5 实 验 且 能更 好 地 实 现 解 耦 控 制 。同时 优 化 系 统 ，使 其 具 在 dsPACE半 实 物平 台上 进行 实验 [5]。PMSM 参 有 更 好 的动 、静 态 性 能 和 抗 干 扰 能 力 。 3．2 解 耦 部 分 的 实 现 数 ：额 定 电 压 220 V，额 定 转 速 3 000 r·min～，n = 5，定 、转 子 电感 均 为 0．311 9 H，互 感 0．49 H，转 动 电机 解 耦 关 键 在 于 由给 定 的两 个 值 ( 和 ) 惯 量 0．0132 1 kg·m ，定 、转 子 电阻 分 别 为 12。1 n， 得 到 SVPWM 所 需 的两 相 静 止 电压 ‰， ，而 ‰， 6．5 Q。在 动 态 解耦 实 验 中 ，给 定 ∞ =60 rad ·，在 由 ，／／,q通 过 Park逆 变 换 得 到 ，故 只 需 由 ，i 得 0．2 S时 tO 突 变 为 100 rad·s～；给 定 =3 N·m，在 到 ， 即 可 。 由 PMSM 数 学 模 型 可 知 ，tOr， 均 受 0．4 s时 ： 突变 为 5 N·m。实 验 波形 如 图 4所 示 。 ， M 控 制 ，即存 在 耦合 。式 (2)为 5输入 2输 出系 统 ，即 由 tO ，Uind，／／, ，id和 ig得 到 d和 q，可 用 单 神 经 元PID实 现 解 耦 ，其 解 耦 思 想 如 图 2所 示 。 卜— 臣巫亘匝 PMSM Uind-----—-------一 内 部 ／2inq·--·—--——--一 变 量 —- -- — ．． ． _ + 关 系 卜—臣巫 亘 式(2) 图 2 PMSM 单 神 经 元 PID控 制 框 图 f— — ～ ： ： ．．一+ ～ 一 ， { f ． ． ． ． ． ． ． ： r 厂 一 一 —— ～ ～ ■ ．．．．． 3 r，(100 ms／格 ) 图 4 实验 波 形 Fig．4 Experimental waveforms 可 见 ，当 发 生 突 变 时 ，经 小 幅 波 动 ， 能 迅 Fig．2 Block diagram of single neuron PID control of PMSM 速 恢 复 恒 定 ；当 发 生突 变 时 ，O)r也 能 保 持 恒 定 ； 其 中 ， ， 作 为 解 耦 输 出 ，与 反 馈 的转 角 参 与 SVPWM 控 制 ， ，id'逼 近 tO ，id的程 度 反 映 了系 统 即 实 现 了 与 的解 耦 ，且 具 有 快速 的动 态 响 应 特 性 ，运 行 平 稳 。 的解 耦 精 度 ，逼 近 速 度 反 映 其 解 耦 速 度 。 6 结 论 4 仿 真 在 Matlab中 建 立 仿 真 模 型 【 ，PMSM 参 数 为 ： R=2．875 Q，Ld=L =8．5 mH， =0．175 Wb，转 动 惯 量 0．008 kg·m2，np=2。 将 单 神 经 元 与 经 典 PID控 制 相 结 合 ．利 用 单 神经 元 的 自整 定 功 能 自动 调 节 PID 的 比例 、积 分 、 微 分 参数 ，使 参 数 达 到 最 优 。并 通 过 仿 真 和 实验 验 证 了 算法 的优 越 性 。 图 3a为 ， 响 应仿 真 结果 。在 0—4 S时 60r= 参 考 文 献 30 rad·s～，4 s时 突变 为 60 rad·s ；而 在 0～2 s时 【1】 王成 元 ，夏 加 宽．电机现 代控 制技 术 【M]．北京 ：机械 工 = 4 N·m，2 s时 突 变 为 6 N·m。可 见 ，在 2 s时 ，保 业 出版社 ．2006． 持 恒 定 而 使 突 变 ， 依 然 能 保 持 恒 定 ；在 4 s 【2】 周 开利 ，康耀 红 ．神 经 网络 模 型及 其 Matlab仿 真程 序 时，保持 恒定而使 突变 ， 仍能保 持恒定。由 此 验 证 了单 神 经元 PID解 耦 控 制 系统 的解 耦 特 性 。 图 3b为 周 期 变 化 时 ∞ 响应 波 形 。可 见 ，当 恒 为 30 rad·s～， 在 4—6 N·m 问 周 期 性 变 化 时 ，to 发 生 了短 暂 抖 动 后 能很 快 恢 复原 值 ，且 抖 动 幅 度 很 小 。 由 此 验 证 了 基 于 单 神 经 元 PID 的 设 计 [M】．北 京 ：清 华 大 学 出版 社 ，2005． [3】 郝 东 丽 ，郭 彤 颖 ，贾 凯 ．基 于 神 经 网络 的 永 磁 同 步 电 机矢 量控 StJ[j]．电力 电子 技术 ，2004，38(4)：54—61． 【4】 刘 金 琨 ．先进 PID控 制 Maflab仿 真 [M】．北 京 ：电子 工 业 出 版 社 。2005． [5] 沈艳 霞 ，吴 定 会 ，纪志 成 ．基 于 dSPACE PMSM 伺服 控 制器 自适应反步法设计[J]．电力 电子技术 ，2004，38(6)： PMSM 解 耦 控 制 系 统 具 有 良好 的鲁 棒 性 。 56-58． 59