基于模糊控制的永磁同步電動機直接轉矩控制系統
高雅，劉衛國，駱光照
(西北工業大學，陜西西安710072)
摘要：針對永磁同步電動機直接轉矩控制系統的轉矩和定子磁鏈脈動問題，提出了一種利用模糊控制器調節PWM信號占空比的永磁同步電動機直接轉矩控制的策略，即在傳統永磁同步電動機直接轉矩控制的基礎上，用模糊控制器代替傳統DTc中的滯環比較器和空間電壓矢量狀態選擇器來細分控制規則，以減小轉矩和磁鏈脈動。經過仿真，結果驗證了此方法的有效性。此外針對以往模糊規則表數量龐大、控制系統復雜這一問題，使用了定子磁鏈角映射的方法，大大減少了模糊規則的數最。
關鍵詞：永磁同步電動機；直接轉矩控制；模糊控制；占空比；轉矩脈動
中圖分類號：TM34l 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)01—0040—03
0引 言
直接轉矩控制(DTc)是在電壓空間矢量控制理論的基礎之上，繼矢量控制技術后發展起來的具有高性能的交流變頻調速技術[1]。永磁同步電動機(PMsM)具有結構簡單、體積小、重量輕、效率高、功率因數高、轉動慣量小等優點，使其越來越多的應用于高性能要求的場合[2]。鑒于直接轉矩控制在異步電動機控制中良好的控制性能，近年來將直接轉矩控制應用于永磁同步電動機已成為運動控制的一個研究熱點。
直接轉矩控制由于其采用的滯環比較器的繼電特性無法精確地區分轉矩誤差和磁鏈誤差，永磁同步電動機直接轉矩控制只能使用使轉矩正轉或反轉的電壓矢量，因此，控制系統的轉矩脈動和磁鏈脈動尤為突出[3]。為了減小脈動，本文提出了一種基于模糊控制調節PwM信號占空比的永磁同步電動機直接轉矩控制策略，即根據轉矩和磁鏈的偏差設計一個模糊控制器來控制每個采樣周期的PwM信號的占空比，以減小轉矩和磁鏈脈動。此外在設計模糊控制器時，本文運用了定子磁鏈角映射的方法，減少了模糊規則的數量。
1永磁同步電動機直接轉矩控制
直接轉矩控制采用hang-bang控制的離散滯環控制方式，以轉矩和定子磁鏈作為被控對象，將轉矩和磁鏈誤差通過滯環比較器產生PwM信號直接控制逆變器的開關狀態[4]。圖l為永磁同步電動機不同坐標系下的矢量圖。
圖1中的δ為定子磁鏈Ψs和轉子磁鏈Ψq之間的夾角，即功角。當系統在一定轉速下穩定運行時，δ不變。當系統狀態改變時，δ在不斷變化。
在dq坐標下，永磁同步電動機的轉矩公式為[2]：
式中：Ψd、Ψq，分別為定子磁鏈Ψs在d軸和q軸上的分量，id、iq分別為定子電流在d軸和q軸上的分量，p為電機極對數：
其中：x可分別表示電流、電壓、電磁。將式(5)代人式(1)可得到：
其中：Ld和Lq為電感L分別在d軸和q軸上的分量。
對于隱極式永磁同步電動機Lq=Ld，故式(7)可寫為：
由式(8)可知，若定子磁鏈不變，調速時只需改變6角度便可改變轉矩的大小。  之間變化時，隨著角度的增加轉矩增加。直接轉矩控制就是選擇合適的電壓空間矢量來調節定子磁鏈的位置，以達到控制6角度的作用’。圖2即為永磁同步電動機直接轉矩控制框圖： 2基于模糊控制調節PwM信號占空比的永磁同步電動機直接轉矩控制系統
2．1控制系統結構
本文在傳統DTc的基礎之上，將滯環比較器和空間電壓矢量狀態選擇器用模糊控制器代替，即當在一定的定子磁鏈角(目)范圍內，將原來的一個電壓矢量信號用細分后的幾個電壓矢量信號代替，以達到調節PwM信號占空比的作用。圖3為基于模糊控制的永磁同步電動機直接轉矩控制系統的仿真模型。
2．2模糊控制器的設計
模糊控制器由模糊化、模糊推理和解模糊三部分組成[6]。模糊化即將輸入量映射到某個模糊論域的一個過程。本文中有三個輸入量，分別為轉矩誤差eTe、定子磁鏈誤差eψ和定子磁鏈位置角θ。將輸入量eTe,eψ+和θ分別映射到[一O．01，O 01]、[-O. 005，．005]和[一l，1]三個論域中，而在eTe和eψ的論域中分別定義了四個模糊語言值(PB，Ps，Ns，NB)，在θ的論域中定義了兩個模糊語言值(P，N)。一個輸出量為電壓空間矢量V，被映射到[0．5，6．5]的論域中，在其論域中定義了六個模糊語言值(V。，V2，V3，V4，V5，V6)。圖4分別為eTe、eψ、θ、V對應的隸屬度函數。
模糊推理即If eTe js Ai eΨ is Bi θis Ci,then V isVi．
本文利用Mamdani推理法中的最小一****方法[7]，即：
****隸屬度對應的輸出為逆變器的開關量輸入。而模糊推理規則如表1所示。
為了減少規則表的數量，本文利用了定子磁鏈角映射的方法，即通過下式：
的變換，將θ從[0，2π]范圍轉換成圖13----的范圍，于是模糊控制器中只用查一個表，至于θ角不同區域的電壓矢量只需在模糊控制器輸出的值之后統一加上某一個代表θ區域的值，便可達到一樣的效果，這種方法大大地減少了規則表的數量，有助于減小系統的響應時間。表l為θ在  區域的規則表。「」表示取內部值最接近的下整數。 3控制系統仿真結果
本文以永磁同步電動機的數學模型為基礎，在Matlab／Smulink中建立了傳統的DTC系統仿真模型和基于模糊控制的DTc系統仿真模型(如圖3所示)，其中電機參數為：u=300 V，ω=120 md／s，p=4，Rs=O．6212Ω，Ld=Lq=8．5 mH，，=O.000 8 kg.m,ψf=O.175 wb。負載設置為t=0s時Te=1 N·m，在t=0．02 s時Te=3 N·m。圖5為傳統DTc控制仿真結果，從圖5b可看出當系統開始加速階段，轉矩為****轉矩，當轉速達到設定值時，轉矩經過一定的調整，最后將趨近于負載轉矩。圖6為加模糊之后的仿真結果。將兩者仿真結果進行對比，結果表明：加入模糊控制器之后的轉矩脈動和定子磁鏈脈動大大減小。
4結語
本文針列傳統永磁同步電動機DTc系統轉矩和磁鏈脈動大的問題，提出了基于模糊控制的永磁同步電動機DTc策略，經在MatIab／SimlⅡlink中對兩種方法進行仿真，結果表明，改進后的控制系統的控制性能有了明顯的提高，轉矩脈動和定子磁鏈脈動大大減小。
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