基于模糊邏輯控制的永磁同步電動機SVM-DTC系統(tǒng)仿真
嚴(yán)衛(wèi)生，林海，丁明，張金鎖
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：針對傳統(tǒng)的永磁同步電動機sVM—DTc系統(tǒng)_中采用的PI調(diào)節(jié)器對電機參數(shù)變化及外加干擾時魯棒差等問題，在分析永磁同步電動機數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于模糊控制的永磁同步電動機svM-DTc系統(tǒng)方案，設(shè)計了一種帶分離積分項的自適應(yīng)模糊控制器，并替換了傳統(tǒng)的svM DTc系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速PI控制器、轉(zhuǎn)矩PI控制器和磁鏈H控制器，用MATLAB仿真軟件建立了系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計正確，所設(shè)計的模糊控制器優(yōu)于常規(guī)控制器，能有效減小系統(tǒng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動，系統(tǒng)性能明顯改善。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；模糊邏輯控制；直接轉(zhuǎn)矩控制；空間矢量調(diào)制
O引 言
直接轉(zhuǎn)矩控制(以下簡稱DTc)技術(shù)首先由德國學(xué)者M(jìn).Depenbrok和日本學(xué)者I．Takahashi提出。該策咯由于新穎的控制思想和優(yōu)異的控制性能贏得了國內(nèi)外眾多學(xué)者和專家的關(guān)注。近年來，DTc的應(yīng)用對象也由最初的異步交流電機逐漸延伸到其他電機中。在眾多不同類型電機中，永磁同步電動機(以下簡稱PMsM)由于結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠和效率高等優(yōu)勢越來越受到人們的關(guān)注，已經(jīng)有學(xué)者將DTc應(yīng)用于PMsM之中。具體控制策略如圖1所示。
雖然DTc策略有很多優(yōu)點，但傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電動機中，仍然有一些問題需要解決，而磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動問題是研究的一個重點。圖1中，控制系統(tǒng)中采用的bang-bang控制容差大小對系統(tǒng)性能影響很大。固定容差使得系統(tǒng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩總是處在上升或下降的狀態(tài)，這直接導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動；電機在運行過程中，隨著溫度和頻率的升高，電機定子電阻也隨之改變，這使得電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈估測不準(zhǔn)，也導(dǎo)致了電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動。國內(nèi)外很多學(xué)者都為此作出了很多的工作，在電機控制研究領(lǐng)域中這也成為了研究熱點之一。
在眾多改進(jìn)技術(shù)中，空間矢量調(diào)制(sVM)技術(shù)的應(yīng)用成為了較好的改進(jìn)方案之一，sVM技術(shù)使用相鄰的兩個工作電壓矢量及零電壓矢量合成出任意的參考電壓矢量，而參考電壓矢量可以通過兩個PI控制器來調(diào)整定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩獲得。但是由于PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計要依賴于研究對象精確的數(shù)學(xué)抽象，當(dāng)電機參數(shù)變化或有外來干擾時，控制器參數(shù)不能在線調(diào)整，降低了系統(tǒng)的控制性能。
為此，本文提出一種基于模糊控制器的sVM-DTc方案。設(shè)計的一種帶分離積分項的自適應(yīng)模糊控制器，將該控制器分別替代原有系統(tǒng)中的速度PI控制器、轉(zhuǎn)矩PI控制器和磁鏈PI控制器，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的控制性能。仿真結(jié)果表明該模糊控制器減小了原系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動和磁鏈脈動，實現(xiàn)速度的精確控制，較原系統(tǒng)中的PI控制器性能更優(yōu)，魯棒性更強。
1 PMSM數(shù)學(xué)模型
以兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)為例，分析PMSM的數(shù)學(xué)模型及轉(zhuǎn)矩特型。為了方便分析，先做以下假設(shè)：
(1)三相繞組完全對稱，氣隙磁場為正弦分布，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布對稱；
(2)忽略磁槽、換相過程和電樞反應(yīng)等的影響；
(3)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；
(4)磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗；
(5)驅(qū)動二極管和續(xù)流二極管為理想元件。
則可以得到PMSM在轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq軸系下的數(shù)學(xué)模型：
式中：Ψd、Ψq，id、iq，Vd、Vq分別為定子磁鏈、定子電流和定子電壓在d、q軸分量；Ld、Lq為定子繞組d、q、軸等效電感；Ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；Rs為定子繞組電阻；p為電機極對數(shù)；ωr為轉(zhuǎn)子機械角速度，ω=npωr,ω為轉(zhuǎn)子電角速度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B為阻尼系數(shù)；，為電機轉(zhuǎn)動慣量。
2模糊SVM—DTC系統(tǒng)
基于模糊控制器的永磁同步電動機sVM-DTc系統(tǒng)原理框圖如圖l所示。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方式，參考轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的誤差經(jīng)模糊控制器輸出參考轉(zhuǎn)矩，參考轉(zhuǎn)矩、參考磁鏈分別與估測轉(zhuǎn)矩、估測磁鏈的誤差經(jīng)兩個模糊控制器生成參考電壓Vd和Vq,經(jīng)過坐標(biāo)變換后，控制空間矢量脈寬調(diào)制(以下簡稱svM)生成三相電壓源逆變器驅(qū)動脈沖，進(jìn)而驅(qū)動永磁同步電動機。
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