基于雙模糊空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制
蔡斌軍
（湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南湘潭411101）
摘 要：為了改善基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及低速性，分析了傳統(tǒng)SVM-DTC中采用兩個(gè)PI控制器來產(chǎn)生參考電壓矢量，存在PI控制器參數(shù)難以確定的問題，提出了一種基于雙模糊空間矢量調(diào)制( SVM)的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)策略。闡述了產(chǎn)生磁鏈和轉(zhuǎn)矩參考電壓矢量的模糊控制器的具體的設(shè)計(jì)過程，即模糊控制器的輸入變量分別為磁鏈、轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈、轉(zhuǎn)矩誤差的變化率，輸出為參考電壓矢量的磁鏈、轉(zhuǎn)矩分量。對該控制方法在基于Simulink的仿真軟件和基于DSP2812的控制芯片的實(shí)驗(yàn)裝置分別進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的SWl-DTC進(jìn)行了比較。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙模糊SVRl-DTC控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，有效提高了系統(tǒng)的低速性能。
關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；空間矢量調(diào)制；模糊控制；低速性
中圖分類號：TP 27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1引 言
傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制是借助轉(zhuǎn)矩的Bang-Bang控制來實(shí)現(xiàn)PWM的控制策略。同時(shí)電存在開關(guān)頻率不固定的問題。而且不可避免會(huì)引起轉(zhuǎn)矩急劇的增加或減少。為了解決這些問題，采用空間矢董調(diào)制(SVM)技術(shù)的DTC算法極大減小輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，且開關(guān)頻率得到固定。參考電壓矢量求取是SVM的關(guān)鍵，普遍采用2個(gè)PI控制器來調(diào)整定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，以獲得參考電壓矢量。實(shí)際上該方法并不能達(dá)到精確控制的效果，因?yàn)镻I控制依賴于磁鏈和轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確觀測，特別是低速運(yùn)行時(shí)，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的不準(zhǔn)確觀測極大地影響了PI的控制性能。目前，模糊控制在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，顯示了其魯棒性強(qiáng)的優(yōu)越性。
因此，為了提高系統(tǒng)的魯棒性和低速性能，本文提出了一種雙模糊空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。
2 DTC系統(tǒng)的控制原理和數(shù)學(xué)模型
采用空間矢量的數(shù)學(xué)分析方法，以定子磁場定向，建立在靜止正交定子坐標(biāo)系“毋上的數(shù)學(xué)模型如下，
磁鏈方程：
直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)采用近似圓形的磁鏈軌跡，通過檢測定子電壓和定子電流，經(jīng)坐標(biāo)變換，得到電壓電流，然后用式(1)，式(2)觀測。用式(3)觀測轉(zhuǎn)矩t，從而實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。
3雙模糊SVM-DTC系統(tǒng)
1)空間矢量調(diào)制的基本原理空間矢量調(diào)制技術(shù)利用相鄰的基本電壓空間矢量可以合成任意大小和方向的參考電壓矢量，如圖1所示。
相鄰電壓矢量由參考電壓矢量的相位角判定。空間矢量合成的表達(dá)式為
式中，U1，U2為用于合成的基本電壓矢量；u0為零矢量；Us為合成的參考電壓矢量；且滿足T0=T1+T2+T3，To為一個(gè)控制周期。
將式(4)轉(zhuǎn)換到靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸上：
θ1和θ2分別為電壓矢量U1和U2與a軸正方向的夾角。矢量作用時(shí)間根據(jù)式(5)和式(6)求取。
舉例說明，圖l中利用相鄰基本電壓矢量u4和U6合成參考電壓矢量Us。將θ1=0度和θ2= 60度代人式(6)和式(7)，可求得電壓矢量的作用時(shí)間分別為
2)雙模糊SVM-DTC控制實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制不可避免地存在磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差。能夠補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的電壓矢量稱為參考電壓矢量。如何求得參考電壓矢量是SVM-DTC算法的核心聞?lì)}。雙模糊SVM-DTC控制原理，如圖2所示。
從控制原理框圖可看出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制性能的主要模塊是磁鏈模糊控制器和轉(zhuǎn)矩模糊控制器；轉(zhuǎn)矩誤差經(jīng)過轉(zhuǎn)矩模糊控制器得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下參考電壓矢量酌q軸分量，定子磁鏈誤差經(jīng)過磁鏈模糊控制器得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下參考電壓矢量的d軸分量。得到的參考電壓矢量是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的2個(gè)電壓矢量分量，將其送人SVM之前，先分別轉(zhuǎn)換到靜止的定子“管坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)換關(guān)系式如下：
轉(zhuǎn)換生成的2個(gè)在靜止坐標(biāo)系下的分量送人SVM模塊之后，生成控制逆變器開關(guān)狀態(tài)的PWM信號，從而實(shí)現(xiàn)基于雙模糊空間矢量調(diào)制的直接控制。
4磁鏈和轉(zhuǎn)矩模糊控制器的設(shè)計(jì)
1)變量的模糊化及隸屬度函數(shù)磁鏈模糊控制器根據(jù)磁鏈誤差大小及其變化相應(yīng)的輸出參考電壓矢量的d軸分量u定義其輸入、輸出變量。其輸入變量有2個(gè)：磁鏈誤差Eφ和磁鏈誤差變化率ΔEφ,輸出變量有1個(gè)，即參考電壓矢量的d軸分量鞏。Eφ包含3個(gè)模糊子集(Ns，Z，Ps)，ΔEφ有3個(gè)模糊子集(N，Z，P)，Ud有5個(gè)模糊子集(NL，NS，Z，Ps，PL)。
轉(zhuǎn)矩模糊控制器根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差大小及其變化相應(yīng)的輸出參考電壓矢量的q軸分量U定義其輸入、輸出變量。其輸入變量有2個(gè)：轉(zhuǎn)矩誤差ET和轉(zhuǎn)矩誤差變化率ΔET。輸出變量有1個(gè)，即參考電壓矢量的q軸分量Uq。ET包含5個(gè)模糊子集(NL，NS，Z，ps，PL)，ΔET有3個(gè)模糊子集(N，Z，P)，Uq有5個(gè)模糊子集(NL，NS，Z，Ps，PL)。磁鏈模糊控制器的模糊變量Eφ，ΔEφ和Ud的隸屬度函數(shù)分布，如圖3所示。
轉(zhuǎn)矩模糊控制器的模糊變量ET，ΔET，和Uq的隸屬度函數(shù)分布，如圖4所示。
2)模糊控制規(guī)則的建立根據(jù)SVM-DTC系統(tǒng)的控制原理，直接轉(zhuǎn)矩控制的思想是當(dāng)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差值在滯環(huán)比較器的范圍內(nèi)，磁鏈或轉(zhuǎn)矩輸出為1或O，通過磁鏈、轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行空間矢量的選擇，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制。如當(dāng)存在磁鏈誤差正向較大時(shí)，磁鏈比較器的輸出為1，且轉(zhuǎn)矩的誤差為正向較大時(shí)，選擇的電壓矢量為U1(011)；把此規(guī)律反映到轉(zhuǎn)矩和磁鏈的參考電壓矢量上，于是有當(dāng)磁鏈誤差為正向較大( PL)、磁鏈誤差的變化率為負(fù)向較大(N)時(shí)，輸出的參考電壓矢量為o(z)；當(dāng)存在轉(zhuǎn)矩誤差為正(P)、轉(zhuǎn)矩誤差的變化率為正(P)時(shí)，輸出的參考電壓矢量為負(fù)大(NL)。根據(jù)這一普遍的變化規(guī)律得出磁鏈和轉(zhuǎn)矩的模糊控制規(guī)則，見表l，表2。
該控制規(guī)則適用于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。
模糊規(guī)則采用If-Then形式表示，磁鏈／轉(zhuǎn)矩模糊控制器第i條規(guī)則表示為
其中，Ai，Bj，Cij為磁鏈／轉(zhuǎn)矩誤差Eφ/ET磁鏈／轉(zhuǎn)矩誤差變化率ΔEφ/ΔET、以及參考電壓矢量d/q軸分量Ud/Uq的子集變量。磁鏈模糊控制器有15條規(guī)則，轉(zhuǎn)矩模糊控制器共有9條模糊控制規(guī)則。
3)模糊推理與清晰化磁鏈／轉(zhuǎn)矩模糊控制器均采用Mamdani模糊推理法，第i條模糊規(guī)則所對應(yīng)的模糊關(guān)系如下：
由于模糊推理得到的控制量是一個(gè)模糊集合，而被控對象只能接受精確的控制量，因此必須經(jīng)過清晰化處理，精模糊控制量采用重心法轉(zhuǎn)換成精確量實(shí)現(xiàn)控制。
5雙模糊SVM-DTC系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)
1)仿真及結(jié)果分析該控制系統(tǒng)主要是以湘潭電機(jī)廠研制的礦山機(jī)械變頻技術(shù)中15 kW電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法為具體的研究對象，利用Mat—ab/Simulink仿真軟件搭建了基于雙模糊SVM-DTC控制系統(tǒng)仿真模型，對基于雙模糊SVM-DTC系統(tǒng)的控制原理進(jìn)行驗(yàn)證。
具體仿真條件設(shè)定為：負(fù)載啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速給定值為50 r/min；負(fù)載轉(zhuǎn)矩為O；雙模糊SVM-DTC系統(tǒng)和傳統(tǒng)的SVM-DTC，系統(tǒng)的仿真參數(shù)相同，仿真時(shí)間設(shè)為0 8 s。仿真結(jié)果，如圖5所示。
由圖5中的仿真結(jié)果可知，雙模糊SVM-DTC系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)SVM-DTC系統(tǒng)在低速時(shí)，定子磁鏈的曲線更接近圓形，基本沒有脈動(dòng)量；轉(zhuǎn)速響應(yīng)變快，低速時(shí)很快變得很平緩，電流與轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)量較傳統(tǒng)的SVM-DTC系統(tǒng)大大減�。晦D(zhuǎn)短響應(yīng)速度加快，并能很快達(dá)到穩(wěn)定、無波動(dòng)。
2）實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的控制方法的正確性，在以TMS320LF2812為控 制芯片的控制平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對應(yīng)的電機(jī)參數(shù)與仿真參數(shù)相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。
圖6中實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相近，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了基于雙模糊SVM-DTC系統(tǒng)具有更好的轉(zhuǎn)矩特性和轉(zhuǎn)速特性，并且對系統(tǒng)的磁鏈誤差有很好的魯棒性，大大提高了控制系統(tǒng)的低速性能，從而證實(shí)了新策略的有效性。
6結(jié)語
本文基于模糊控制理論提出一種雙模糊SVM-DTC控制策略。傳統(tǒng)的SVM-DTC系統(tǒng)采用PI控制器產(chǎn)生參考電壓矢量，采用磁鏈、轉(zhuǎn)矩模糊控制器代替PI控制器，進(jìn)一步提高SVM-DTC系統(tǒng)低速時(shí)的控制性能。通過與傳統(tǒng)的SVM-DTC系統(tǒng)進(jìn)行了仿真、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方法能夠大大減小系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及磁鏈的脈動(dòng)量，可有效提高系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，尤其是控制系統(tǒng)的低速性能。
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