第 12卷 　第 6期

2008年 11月　

电 　机 　与 　控 　制 　学 　报EL ECTR IC　MACH IN ES　AND　CON TROL

　Vol112 No16

Nov. 2008

　　　　　　

定子双馈电双凸极电机的模糊自适应 P I控制

程　明 , 　束亚刚 , 　孔祥新(东南大学 电气工程学院 ,江苏 南京 210096)

摘 　要 : 定子双馈电双凸极 ( SDFDS)电机具有结构简单可靠 ,功率密度高 ,可控参数多 ,容错性能

好等优点。但它的转矩和转速之间具有强烈的非线性关系 ,采用常规线性 P I控制器难以得到令人

满意的控制特性。针对这个问题 ,结合模糊控制灵活、鲁棒性强的优点和 P I控制精度高的特点 ,设

计了模糊自适应 P I控制器 ,并通过仿真和实验与传统的 P I控制器和模糊控制器进行了比较。结

果表明 ,模糊自适应 P I控制器继承了模糊控制和 P I控制的优点 ,能获得优良动静态性能和适

应性。

关键词 :定子双馈电 ; 双凸极电机 ; 模糊控制 ; P I控制 ; 自适应控制中图分类号 : TM352 文献标识码 : A 文章编号 : 1007- 449X (2008) 06- 0691- 05

Fuzzy adaptive PI control of stator2doubly2fed doubly sa lient motor

CHENG M ing, 　SHU Ya2gang, 　KONG Xiang2xin( School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract: Stator2doubly2fed doubly salient ( SDFDS) motor has the advantages of high reliability, high

power density, fault tolerance and simp le structure. But it is difficult to get satisfied control characteris2tics by using normal linear p roporition integral( P I) controller due to the high nonlinearity between speed

and current or torque. To solve this p roblem, a fuzzy self2adap tive P I controller is designed by combining

the strength of high flexibility and high robustness of fuzzy controller with the strength of high p recision of

conventional P I control. The simulation and experimental results verify that the fuzzy self2adap tive P I con2troller can inherit the advantages of the fuzzy controller and the conventional P ID controller, imp rove the

dynam ic and the static performance and adap tability of the SDFDS motor drive significantly.

Key words: stator2doubly2fed; doubly salient motor; fuzzy control; P I control; self2adap tive control

收稿日期 : 2008 - 02 - 27

基金项目 : 国家自然科学基金 (50377004)

作者简介 : 程　明 (1960 - ) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,研究方向为微特电机及测控系统、新能源发电技术 ;

束亚刚 (1985 - ) ,男 ,硕士研究生 ,研究方向为电动车控制技术 ;

孔祥新 (1970 - ) ,男 ,博士研究生 ,副教授 ,研究方向为智能控制系统和电动车驱动控制。

1　引　言

定子双馈电双凸极 ( Stator2Doubly2Fed Doubly

Salient, SDFDS)电机是在开关磁阻电动机和双凸极

永磁电机的基础上发展起来的一种新型电动机 ,因

结构简单可靠 ,功率密度高 ,可控参数多 ,容错性能

好等优点 ,自出现以来 ,受到了人们日益广泛的重

视 [ 1 - 5 ]。图 1为 12 /8极 SDFDS电机截面图 [ 1 ]。

SDFDS电机内部的电感、磁链具有强非线性、

强耦合性的特点 [ 6, 7 ],因而电流和速度控制困难。

模糊控制不需要被控对象的精确数学模型 ,适宜具

有强耦合性、时变性和非线性的系统或控制 ,且控制

方法简单 ,鲁棒性好。但模糊控制类似于常规的 PD

控制 ,具有良好的动态性能 ,静态性能却较差 [ 8 - 10 ]。

P ID控制简单、鲁棒性好、可靠性高、易于实现 ,尤其

适用于线性系统的控制。但对于非线性系统 , P ID

控制的效果却不佳 [ 10, 11 ],而模糊 P ID控制的基本思

想是将模糊控制理论和常规 P ID控制结合起来 ,利

用模糊控制规则在线对 P ID参数进行调整 ,使其既

具有模糊控制灵活和适应性强的优点 ,又具有传统

P ID控制的广泛适用性和控制精度高的特点 [ 12 ]。

文献 [ 8 ]提出了一种新的自适应模糊 P I控制器 ,根

据输入误差 e和误差变化率 ec,实时调节控制器参

数 ,并用遗传算法对控制器参数的初始值进行了寻

优 ,但实现比较复杂 ,因此 ,本文采用了常用的易于

实现的二维查表模糊自适应 P I控制器 [ 10 ]。

本文以一台 750W 12 /8极 (定子 12极 ,转子 8

极 ) SDFDS电机为例 (结构如图 1) [ 3, 5 ] ,对电机在不

同转速、不同负载和突加负载的情况下进行了实验。

图 1　三相 12 /8极 SD FD S电机截面图

F ig. 1　Cross2section of the 12 /8 pole SD FD S m otor

2　SD FD S电机闭环调速系统

SDFDS电机调速系统采用转速、电流双闭环结

构 ,控制框图如图 2所示。

图 2　SD FD S电机调速系统框图

F ig. 2　Block d iagram of the SD FD S m otor dr ive

在系统运行过程中 ,系统将测得的电机转速 n

与给定转速 n3 相比较后 ,将所得的转速偏差作为模

糊自适应 P I控制器的输入量 ,由模糊自适应 P I控

制器产生期望电流幅值 i3

,然后经电流环的传统 P I

控制器产生电压 PWM波 ,输出至 SDFDS电机三相

绕组。

3　P ID控制器

常规增量式数字 P ID控制器的算法可表示为

u ( k) = u ( k - 1) + kP e ( k) + kIΔe ( k) + kDΔ2

e ( k) ,

(1)

式中 : k为采样序号 , k = 0, 1, 2, ⋯; u ( k)为第 k次的

P ID控制器的输出 ; kP 为控制器比例参数 ; kI为控制

器积分参数 ; kD 为控制器微分参数 ; e ( k)为第 k次

期望输出和实际输出之间的偏差值 ;Δe ( k) ,Δ2e ( k)

分别为 e ( k)的一阶、二阶差分。

常规 P ID控制器就是 P、I、D 三种作用的线性

组合 ( kP , kI, kD 参数固定 ) ,即使是整定很好的 P ID

参数值 ,系统响应的快速性与超调量之间也存在矛

盾 ,两者不可能同时达到最优 ,且系统在跟踪设定值

与抑制扰动方面对控制参数的要求也是矛盾的 [ 13 ],

因此不能满足具有强非线性、强耦合性 SDFDS电机

调速系统的要求。所以本文将通过模糊控制器来实

时调节常规 P ID控制器的参数 ,以提高本调速系统

的调速性能。由于模糊控制已经具有微分控制作

用 ,因此本调速系统采用模糊自适应 P I控制器。

4　模糊自适应 P I控制器

模糊自适应 P I控制器的基本结构如图 3所示。

模糊自适应 P I控制是以传统 P I控制为基础 ,通过

计算当前的转速误差 e和误差变化率 ec,经过模糊

控制器的模糊化、模糊推理和解模糊来对 P I控制器

的参数 kP , kI进行调整。本系统使用了目前在实际

工程中广泛应用的二维查表模糊控制器 ,控制器的

输入量为误差 e和误差变化率 ec。

对于 SDFDS电机调速系统来说 , e和 ec定义为

e ( k) = n3

- n ( k) , (2)

ec ( k) = e ( k) - e ( k - 1) , (3)

式中 : n为电机的实际转速 ; n3 为系统的给定转速 ; k

为采样时刻。

图 3　模糊自适应 P I控制器的基本结构

Fig. 3　Basic structure of the fuzzy self2adaptive PI controller

传统模糊控制器的基本设计流程可参看文献

[ 14 ],这里直接给出模糊控制器的基本参数。取

误差 e、误差变化率 ec的量化因子分别为 ke =

0105, kec = 0101;系统控制量 kP、k I 的比例因子为

kkP= 015, kk I

= 012。误差 e、误差变化率 ec、系统控

制量 kP、kI 的模糊集均为 { NB , NM , NS, ZO , PS,

PM, PB}。误差 e、误差变化率 ec的论域均为 { - 3, - 2,

- 1, 0, 1, 2, 3}。系统控制量 kP、kI 的论域均为 { 1,

2, 3, 4, 5, 6, 7}。误差 e、误差变化率 ec、系统控制量

296 电 　机 　与　控 　制 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　第 12卷 　

kP、kI的隶属度函数图形如图 4 ( a)、( b)所示。

根据参数 kP、kI对系统输出特性的影响情况 ,制

定 kP、kI的调整原则 [ 12 ]如下 :当偏差 e较大时 ,为了

提高系统的响应速度 ,防止过大超调 ,应取较大的

kP ,较小的 kI;当偏差 e为中等大小时 ,为了使超调

量减少 , kP、kI的大小应适中 ,以保持较快的响应速

度 ;当偏差 e较小时 ,为了保证良好的稳定性 ,应减

小 kP ,增大 kI。再根据实践调试经验 ,制定如表 1

( a)、( b)所示的参数模糊控制规则表 ,其相应的模

糊控制器的输出曲面如图 5 ( a)、( b)所示 ,最后利

用最大隶属度方法解模糊。

图 5　模糊控制器的输出曲面

F ig. 5　Fuzzy con troller output curved surface

5　仿真与实验

为了验证理论分析的正确性 ,使用一台三相 12 /

8极 SDFDS电机样机 (样机参数参考文献 [ 3 ] ) ,额定

转速为 1 500 r/m in,使用 DSP TMS320F2812为控制

器 ,主电路采用三相半桥无中线电路 ,功率管采用三

相六管 IPM。电机性能测试系统由 750W 12 /8极 SD2FDS电机、电气转矩测试仪 MV1036 - 225、转矩转速

传感器 T34ST及配套示波器组成 ,如图 6所示。

图 6　电机性能测试平台

F ig. 6　M otor performance m ea sure pla tform

仿真与实验中 ,以转速阶跃变化、负载阶跃变化

两种情况来比较模糊自适应 P I控制器和传统 P I控

制器的控制性能。

1)转速阶跃变化。在负载一定 ( Tl = 1 N·m )

时 ,设定转速由 0 r/m in阶跃变化至额定转速 1 500

r/m in,分别由传统 P I控制器、模糊控制器和模糊自

396第 6期 定子双馈电双凸极电机的模糊自适应 P I控制

适应 P I控制器所得的仿真和实验速度阶跃响应曲

线 ,如图 7和图 8所示。

由图 7和图 8可知 ,在传统 P I控制器、模糊控

制器、模糊自适应 P I控制器下的阶跃响应的上升时

间 tr 分别约是 500 m s、450 m s、450 m s,稳态误差分

别约为 ±4 r/m in、10 r/m in、±4 r/m in。模糊控制

器、模糊自适应 P I控制器的动态响应比传统 P I控

制器快了约 50 m s,即约 10%。而模糊控制器在稳

态时静差较大 ,其原因是常规二维模糊器存在控制

的盲区 [ 14 ] ,导致模糊控制器稳态性能欠佳。

2)负载阶跃变化。在转速为额定转速 1 500 r/min

时 ,负载转矩由空载变化至 2 N·m、再由 2 N·m变化

至空载分别由传统 P I控制器、模糊控制器和模糊自

496 电 　机 　与　控 　制 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　第 12卷 　

适应 P I控制器所得的仿真和实验速度曲线、对应的

负载转矩曲线 ,如图 9和图 10所示。

由图 9和图 10可知 ,传统 P I控制器、模糊自适

应 P I控制器在负载突变时的调节时间分别约为 400

m s、300 m s,后者比前者快了约 100 m s,即约 25%。

而模糊控制器则会在负载由空载变为 2 N·m时静

差将从 7 r/m in增大至 20 r/m in、在负载变小时静差

将从 20 r/m in减小至 5 r/m in,模糊控制时转速不稳

定 ,转矩脉动较大。

6　结　语

针对 SDFDS电机调速系统转速与转矩、电流等

参数具有很强的非线性关系这一特点 ,基于模糊控

制灵活、鲁棒性强的优点和 P I控制精度高的特点 ,

设计了模糊自适应 P I控制器 ,并通过转速阶跃变

化、负载阶跃变化两种情况下的实验与传统的 P I控

制器和模糊控制器进行了比较。仿真和实验结果表

明 ,在 SDFDS电机调速系统的调速和调负载过程

中 ,模糊自适应 P I控制器具有比常规 P I控制器更

好的响应特性 ,克服了模糊控制器静态性能差和常

规 P I控制器不适于非线性系统中的控制的缺点 ,继

承了模糊控制和 P I控制的优点 ,使得 SDFDS电机

调速系统获得了优良的调速性能。

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(编辑 :温泽宇 )

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