摘要：分析了逆變器的開關(guān)頻率、滯環(huán)寬度、電機轉(zhuǎn)速三者的關(guān)系，提出了開關(guān)頻率優(yōu)化的方法；為進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，將模糊控制技術(shù)用于永磁同步電動機控制中，提出了一種新的模糊控制方案，并引入零矢量控制，對模糊控制規(guī)則進行簡化。仿真實驗結(jié)果表明，通過開關(guān)頻率優(yōu)化和模糊控制，不僅能充分利用功率器件的開關(guān)頻率，而且模糊直接轉(zhuǎn)矩控制的磁鏈軌跡更接近于圓形；轉(zhuǎn)速在較短的時間內(nèi)上升到穩(wěn)定值；轉(zhuǎn)矩快速、平穩(wěn)地變化。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；直接轉(zhuǎn)矩控制；模糊控制；開關(guān)頻率優(yōu)化
中圖分類號：TM351；TM341 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2009110一0033—04
0引言
直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度值是根據(jù)經(jīng)驗確定的，固定經(jīng)驗值的選擇通常是根據(jù)
系統(tǒng)在較高轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)矩脈動的要求和系統(tǒng)開關(guān)頻率的限制來確定的[1]從而產(chǎn)生功率器件開關(guān)頻率利
用不充分、在轉(zhuǎn)速變化過程中功率器件開關(guān)頻率波動范圍大且低速轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)性能下降的缺陷，而且在電機穩(wěn)態(tài)時直接導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩脈動大，其繼電特性無法精確地區(qū)分轉(zhuǎn)矩誤差和磁通誤差。因此，如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小轉(zhuǎn)矩和磁通脈動，提高系統(tǒng)快速性和平穩(wěn)性已成為永磁同步電動機控制的研究熱點。近年來，已有學(xué)者將模糊控制技術(shù)用于永磁同步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制中，文獻[5]使用模糊控制器，改進轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和減小轉(zhuǎn)矩脈動；文獻【6—7]將模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合提高系統(tǒng)抗干擾能力和控制精度。但這些控制方法算法較復(fù)雜，實際應(yīng)用困難。本文在分析逆變器的開關(guān)頻率、滯環(huán)寬度、電機轉(zhuǎn)速三者關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了開關(guān)頻率優(yōu)化和滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)；同時將零矢量用在模糊控制規(guī)則表中，進一步提高控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性，大大加快系統(tǒng)控制時間。
1滯環(huán)寬度PI調(diào)節(jié)
1．1滯環(huán)寬度、轉(zhuǎn)速與開關(guān)頻率之間關(guān)系
轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出信號和逆變器開關(guān)頻率之間的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。由圖1中[t1t2]開關(guān)區(qū)
間，可得滯環(huán)寬度值和逆變器開關(guān)頻率之間的關(guān)系：
式中f為開關(guān)頻率；U為脈沖幅值；△T為滯環(huán)寬度
由式(1)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)矩上升或下降梯度較大時，系統(tǒng)將以較高的變化率來跟蹤給定轉(zhuǎn)矩，使得逆變
器開關(guān)頻率變高，從而需要較大的滯環(huán)寬度來保證逆變器的開關(guān)頻率不超過功率器件的****開關(guān)頻
率；當(dāng)轉(zhuǎn)矩上升或下降梯度變小時，系統(tǒng)只需較低的變化率來跟蹤給定轉(zhuǎn)矩，逆變器開關(guān)頻率也隨之降低，這時需要較小的滯環(huán)寬度以便充分利用功率器件的開關(guān)頻率及提高轉(zhuǎn)矩跟蹤性能。總之，滯環(huán)寬度值需要不斷變化才能使功率器件的開關(guān)頻率得到充分利用：
逆變器的開關(guān)頻率受滯環(huán)寬度值和轉(zhuǎn)速兩個因素的影響，當(dāng)依據(jù)經(jīng)驗確定轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度值時，將產(chǎn)生兩個問題：一方面系統(tǒng)高速運行時，為將轉(zhuǎn)矩脈動限制在一定的范圍內(nèi)，滯環(huán)寬度值需要設(shè)置的相對較小，這就需要功率器件具有較高的開關(guān)頻率；另一方面，如果滯環(huán)寬度值設(shè)置得較大，雖然降低了系統(tǒng)的開關(guān)頻率，但是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動卻增大了，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)速變化的過程中功率器件的開關(guān)頻率利用不充分和低速轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)性能下降的缺陷。滯環(huán)寬度、開關(guān)頻率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖2所示。為解決固定滯環(huán)寬度值帶來的滯環(huán)寬度和開關(guān)頻率之間的矛盾，可以選擇變化的滯環(huán)寬度值。
1．2開關(guān)頻率優(yōu)化及其對應(yīng)的滯環(huán)寬度值
為了在滿足系統(tǒng)開關(guān)頻率要求的同時，充分利用功率器件的開關(guān)頻率，使功率器件工作在****開
關(guān)頻率附近，本文采用功率器件的****工作頻率為給定頻率，將逆變器的實際工作頻率作為反饋頻率，PI調(diào)節(jié)并將調(diào)節(jié)得到的結(jié)果作為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度值，如圖3所示。PI調(diào)節(jié)器的特點，使得該開關(guān)頻率優(yōu)化方法具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。根據(jù)文獻[5】中功率器件****開關(guān)頻率和滯環(huán)寬度之間的關(guān)系，可以方便地設(shè)定滯環(huán)寬度PI調(diào)節(jié)器的飽和值，從而保證逆變器的開關(guān)頻率不超過功率器件的額定****開關(guān)頻率，保證整個系統(tǒng)的安全運行.
圖4為在給定轉(zhuǎn)速恒定時開關(guān)頻率PI調(diào)節(jié)得到滯環(huán)寬度值的過程。通過開關(guān)頻率優(yōu)化使得功率器件工作在額定開關(guān)頻率附件，但是滯環(huán)寬度值卻相對經(jīng)驗值增大了，且高速運行時幅度增加相對較大，因此不可避免地帶來了較大的轉(zhuǎn)矩脈動，但是卻較好地滿足了系統(tǒng)開關(guān)頻率的要求。圖5是在充分利用功率器件開關(guān)能力的條件下針對不同的轉(zhuǎn)速得到的滯環(huán)寬度值與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。隨著轉(zhuǎn)速的升
高，系統(tǒng)的開關(guān)頻率隨之增加，為了保證系統(tǒng)工作在功率器件的****開關(guān)頻率附近，由開關(guān)頻率PI調(diào)節(jié)器得到的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)寬度值隨增大。
2．1模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖6是永磁同步電動機模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。ωr和ψs分別為轉(zhuǎn)速給定和磁鏈給定，通
過檢測電流和電壓經(jīng)過3s／2s坐標(biāo)變換，送給磁鏈觀測器和轉(zhuǎn)矩觀測器；另外，通過位置傳感器測出轉(zhuǎn)子位置信號。系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和磁鏈三閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。
磁鏈觀測器和轉(zhuǎn)矩觀測器采用如下算法計算ψs、T和θ:
2．2 1模糊控制規(guī)則確定
對于三相電壓型逆變器供電的永磁同步電動機
電阻0．081 Ω，轉(zhuǎn)子電阻O 055 n，定子自感1．39 mH，轉(zhuǎn)子自感O．79 mH，定子轉(zhuǎn)子互感18 9 mH，極對數(shù)2。
顯然，將模糊控制用于直接轉(zhuǎn)矩控制，其動態(tài)和靜態(tài)性能得到了較大的改善，無論是在起動至平穩(wěn)時，還是在轉(zhuǎn)矩突變時，都能保證電機輸出轉(zhuǎn)矩具有較高的響應(yīng)性。無論在起動還是高速時，轉(zhuǎn)矩脈動都相應(yīng)減小。用H對系統(tǒng)的速度進行調(diào)節(jié)，速度變化幅度小，超調(diào)量小，響應(yīng)也較快，這些都符合工控及精密控制的要求。
以TMs320F2812為核心實現(xiàn)了永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的實驗平臺，實驗所用樣機參數(shù)同
仿真所用電機參數(shù)。圖12是電機在1 500 r／min運行時，分別采用十八邊形磁鏈軌跡并進行開關(guān)頻率優(yōu)化和采用圓形磁鏈軌跡但不采用開關(guān)頻率優(yōu)化得到的轉(zhuǎn)矩波形，圖13是電機在150 r／min運行時，分別采用十八邊形磁鏈軌跡并進行開關(guān)頻率優(yōu)化和采用圓形磁鏈軌跡但不采用開關(guān)頻率優(yōu)化得到的轉(zhuǎn)矩波形。
由圖12、圖13可見，當(dāng)電機以1 500r／min相對較高的轉(zhuǎn)速運行時，開關(guān)頻率優(yōu)化的方法雖然保證
了功率器件處于相對較優(yōu)的開關(guān)頻率附近工作，但是調(diào)節(jié)得到的滯環(huán)寬度值卻相對較大，由此對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩脈動要較不采用開關(guān)頻率優(yōu)化得到的轉(zhuǎn)矩脈動要大。當(dāng)電機位于150 r／min相對較低的轉(zhuǎn)速運行時，采用開關(guān)頻率優(yōu)化得到的轉(zhuǎn)矩脈動要較不采用開關(guān)頻率優(yōu)化得到的轉(zhuǎn)矩要小。
4結(jié)語
本文在分析逆變器的開關(guān)頻率、滯環(huán)寬度、電機轉(zhuǎn)速三者關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了開關(guān)頻率優(yōu)化。這樣，在滿足系統(tǒng)開關(guān)頻率要求的同時，充分利用功率器件的開關(guān)頻率，使功率器件工作在****開關(guān)頻率附近，本文采用功率器件的****工作頻率為給定頻率，將統(tǒng)計得到的逆變器的實際工作頻率作為反饋頻率，對兩者進行PI調(diào)節(jié)并將調(diào)節(jié)得到的結(jié)果作為轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度值，選擇變化的滯環(huán)寬度值，在充分利用功率器件開關(guān)頻率的同時不僅可以克服圓形磁鏈軌跡對功率器件高開關(guān)頻率要求的缺陷，而且可以克服在轉(zhuǎn)速變化過程中采用固定滯環(huán)寬度值帶來的功率器件開關(guān)頻率波動范圍大且低速轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)性能下降的缺點。理論分析和實驗結(jié)果表明：通過開關(guān)頻率優(yōu)化和模糊控制，不僅能充分利用功率器件的開關(guān)頻率，而且模糊直接轉(zhuǎn)矩控制的磁鏈軌跡更接近于圓形；轉(zhuǎn)速在較短的時間內(nèi)上升到穩(wěn)定值；轉(zhuǎn)矩變化快速、平穩(wěn)。
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