永磁同步电机电流环改进内模解耦控制的研究
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ELECTRIC DRIVE 2016 Vol.46 No.2
电气传动 2016 年 第 46 卷 第 2 期
永磁同步电机电流环改进内模 解耦控制的研究
孟钊，李好文，孙朋朋 （西安理工大学 电气工程系，陕西 西安 710048）
摘要：永磁同步电机采用矢量控制，实现了电流静态解耦，而动态耦合关系依然存在。传统的内模解耦控
基金项目：陕西省重点学科建设专项资金资助项目（5X1301） 作者简介：孟钊（1990-），男，硕士研究生，Email：mengzhao2009@
11
电气传动 2016 年 第 46 卷 第 2 期
孟钊，等：永磁同步电机电流环改进内模解耦控制的研究
纳总结了目前研究电压解耦控制的 3 种控制策 略，对比了电流前馈解耦、内模解耦和偏差解耦； 文献［9］以电流环二阶系统为对象，设计内模控 制器，该控制器有很快的电流响应速度，但电流 稳态误差较大。
MENG Zhao，LI Haowen，SUN Pengpeng （Dept. of Electrical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）
Abstract: By using the vector control in PMSM，the current static decoupling is realized，however，the dynamic coupling relationship still exists. To some extent，although the decoupling is accomplished by the traditional internal model decoupling controller，the sole adjustable parameter which needs to be selected is compromised by decoupling effect，response speed and steady state error. Therefore，it is difficult to obtain the optimal control effect. Based on the degree of freedom principle and ensuring the internal model decoupling effect，the traditional internal model decoupling controller was improved by which two mode current regulatory parameters were introduced. According to the simulation results，the improved algorithm is very robust to the model parameters，has a very good performance on current decoupling and removes the tracking errors.
制器虽然在一定程度上实现了解耦，但由于只有 1 个可调参数，需要在解耦效果、响应速度及稳态误差之间折
中选取，因此控制效果难以达到最佳。依据自由度原理，在保证内模解耦效果的基础上，引入 2 个内模电流调
节因子，对内模解耦控制器进行改进。仿真结果表明，改进算法的鲁棒性强，且具有很好的电流解耦效果，消
除了电流跟踪误差。
本文旨在充分研究内模解耦的基础上，引入 自由度思想［10］ ，解决由内模解耦控制器参数单一 引起的电流环性能难以达到最佳。主要表现为电 机启动超调大，解耦不充分造成的电流抗负载扰 动能力弱以及稳态精度较低。通过仿真和实验验 证了改进内模解耦控制具有更好的动稳态性能。
1 永磁同步电机数学模型
永磁同步电机 d - q 坐标系的电压方程如下：
关键词：永磁同步电机；矢量控制；动态耦合；内模解耦控制；自由度
中图分类号：TM351
文献标识码：A
Research on the Improved Internal Model Decoupling Control of Current Loop for Permanent Magnet Synchronous Motor
耦，不能实现二者的动态解耦［2］。 为提高解耦效果，学者们提出了不同的控制
方案，如 PI 解耦控制［3］、预测控制［4-5］和逆系统控 制［6］等。内模控制作为一种先进控制策略，被广 泛应用于解耦控制。文献［7］研究了过调制对解 耦的影响，在内模解耦和交叉解耦的基础上提出 了一种解耦保持过调制算法，该算法在过调制时 有很好的解耦效果，但算法较为复杂；文献［8］归
ìïïud í îïïuq
= =
Rsid Rsiq
+
பைடு நூலகம்
Ld
did dt
+
Lq
diq dt
- ωLqiq + ωLd id
+
ωΨf
（1）
式中：ud,uq 为 d - q 轴电压分量；Rs 为定子电
阻；id,iq 为 d - q 轴电流分量；Ψf 为转子磁链；
Ld,Lq 为 d - q 轴等效电感；ω 为转子角频率。
Key words: permanent magnet synchronous motor（PMSM）；vector control；dynamic coupling；internal model decoupling control；degree of freedom
永磁同步电机（PMSM）具有结构简单、体积 小、功率因数高、转动惯量低等优点，由其组成的 伺服系统，在航空航天、数控机床、机器人等场合 中得到了广泛的应用［1］。但它又是一个非线性、 多变量、强耦合、时变的系统，转矩和磁链之间存 在着耦合。想要获得理想的调速性能，需要解决 的问题之一就是对永磁同步电机进行解耦。然 而矢量控制只能实现转矩和磁链之间的静态解
电气传动 2016 年 第 46 卷 第 2 期
永磁同步电机电流环改进内模 解耦控制的研究
孟钊，李好文，孙朋朋 （西安理工大学 电气工程系，陕西 西安 710048）
摘要：永磁同步电机采用矢量控制，实现了电流静态解耦，而动态耦合关系依然存在。传统的内模解耦控
基金项目：陕西省重点学科建设专项资金资助项目（5X1301） 作者简介：孟钊（1990-），男，硕士研究生，Email：mengzhao2009@
11
电气传动 2016 年 第 46 卷 第 2 期
孟钊，等：永磁同步电机电流环改进内模解耦控制的研究
纳总结了目前研究电压解耦控制的 3 种控制策 略，对比了电流前馈解耦、内模解耦和偏差解耦； 文献［9］以电流环二阶系统为对象，设计内模控 制器，该控制器有很快的电流响应速度，但电流 稳态误差较大。
MENG Zhao，LI Haowen，SUN Pengpeng （Dept. of Electrical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）
Abstract: By using the vector control in PMSM，the current static decoupling is realized，however，the dynamic coupling relationship still exists. To some extent，although the decoupling is accomplished by the traditional internal model decoupling controller，the sole adjustable parameter which needs to be selected is compromised by decoupling effect，response speed and steady state error. Therefore，it is difficult to obtain the optimal control effect. Based on the degree of freedom principle and ensuring the internal model decoupling effect，the traditional internal model decoupling controller was improved by which two mode current regulatory parameters were introduced. According to the simulation results，the improved algorithm is very robust to the model parameters，has a very good performance on current decoupling and removes the tracking errors.
制器虽然在一定程度上实现了解耦，但由于只有 1 个可调参数，需要在解耦效果、响应速度及稳态误差之间折
中选取，因此控制效果难以达到最佳。依据自由度原理，在保证内模解耦效果的基础上，引入 2 个内模电流调
节因子，对内模解耦控制器进行改进。仿真结果表明，改进算法的鲁棒性强，且具有很好的电流解耦效果，消
除了电流跟踪误差。
本文旨在充分研究内模解耦的基础上，引入 自由度思想［10］ ，解决由内模解耦控制器参数单一 引起的电流环性能难以达到最佳。主要表现为电 机启动超调大，解耦不充分造成的电流抗负载扰 动能力弱以及稳态精度较低。通过仿真和实验验 证了改进内模解耦控制具有更好的动稳态性能。
1 永磁同步电机数学模型
永磁同步电机 d - q 坐标系的电压方程如下：
关键词：永磁同步电机；矢量控制；动态耦合；内模解耦控制；自由度
中图分类号：TM351
文献标识码：A
Research on the Improved Internal Model Decoupling Control of Current Loop for Permanent Magnet Synchronous Motor
耦，不能实现二者的动态解耦［2］。 为提高解耦效果，学者们提出了不同的控制
方案，如 PI 解耦控制［3］、预测控制［4-5］和逆系统控 制［6］等。内模控制作为一种先进控制策略，被广 泛应用于解耦控制。文献［7］研究了过调制对解 耦的影响，在内模解耦和交叉解耦的基础上提出 了一种解耦保持过调制算法，该算法在过调制时 有很好的解耦效果，但算法较为复杂；文献［8］归
ìïïud í îïïuq
= =
Rsid Rsiq
+
பைடு நூலகம்
Ld
did dt
+
Lq
diq dt
- ωLqiq + ωLd id
+
ωΨf
（1）
式中：ud,uq 为 d - q 轴电压分量；Rs 为定子电
阻；id,iq 为 d - q 轴电流分量；Ψf 为转子磁链；
Ld,Lq 为 d - q 轴等效电感；ω 为转子角频率。
Key words: permanent magnet synchronous motor（PMSM）；vector control；dynamic coupling；internal model decoupling control；degree of freedom
永磁同步电机（PMSM）具有结构简单、体积 小、功率因数高、转动惯量低等优点，由其组成的 伺服系统，在航空航天、数控机床、机器人等场合 中得到了广泛的应用［1］。但它又是一个非线性、 多变量、强耦合、时变的系统，转矩和磁链之间存 在着耦合。想要获得理想的调速性能，需要解决 的问题之一就是对永磁同步电机进行解耦。然 而矢量控制只能实现转矩和磁链之间的静态解