基于模糊邏輯控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)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(duì)傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)sVM—DTc系統(tǒng)_中采用的PI調(diào)節(jié)器對(duì)電機(jī)參數(shù)變化及外加干擾時(shí)魯棒差等問(wèn)題，在分析永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)svM-DTc系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了一種帶分離積分項(xiàng)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(jì)正確，所設(shè)計(jì)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(dòng)，系統(tǒng)性能明顯改善。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；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(jiǎn)稱(chēng)DTc)技術(shù)首先由德國(guó)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(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者和專(zhuān)家的關(guān)注。近年來(lái)，DTc的應(yīng)用對(duì)象也由最初的異步交流電機(jī)逐漸延伸到其他電機(jī)中。在眾多不同類(lèi)型電機(jī)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PMsM)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和效率高等優(yōu)勢(shì)越來(lái)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(diǎn)，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(dòng)機(jī)中，仍然有一些問(wèn)題需要解決，而磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題是研究的一個(gè)重點(diǎn)。圖1中，控制系統(tǒng)中采用的bang-bang控制容差大小對(duì)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(dòng)；電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，隨著溫度和頻率的升高，電機(jī)定子電阻也隨之改變，這使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈估測(cè)不準(zhǔn)，也導(dǎo)致了電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都為此作出了很多的工作，在電機(jī)控制研究領(lǐng)域中這也成為了研究熱點(diǎn)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(gè)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(guò)兩個(gè)PI控制器來(lái)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(jì)要依賴(lài)于研究對(duì)象精確的數(shù)學(xué)抽象，當(dāng)電機(jī)參數(shù)變化或有外來(lái)干擾時(shí)，控制器參數(shù)不能在線(xiàn)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(jì)的一種帶分離積分項(xiàng)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(dòng)和磁鏈脈動(dòng)，實(shí)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(qiáng)。
1 PMSM數(shù)學(xué)模型
以?xún)上鄬?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(duì)稱(chēng)，氣隙磁場(chǎng)為正弦分布，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布對(duì)稱(chēng)；
(2)忽略磁槽、換相過(guò)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(jì)渦流和磁滯損耗；
(5)驅(qū)動(dòng)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(jī)極對(duì)數(shù)；ωr為轉(zhuǎn)子機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
2模糊SVM—DTC系統(tǒng)
基于模糊控制器的永磁同步電動(dòng)機(jī)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(shí)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(cè)轉(zhuǎn)矩、估測(cè)磁鏈的誤差經(jīng)兩個(gè)模糊控制器生成參考電壓Vd和Vq,經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后，控制空間矢量脈寬調(diào)制(以下簡(jiǎn)稱(chēng)svM)生成三相電壓源逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。
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