基于模糊邏輯細(xì)分矢量的感應(yīng)電動機(jī)DTC控制

佘致廷，蘭金奎，張紅梅，方 正

(湖南大學(xué)，湖南長沙410082)

0 引 言

感應(yīng)電動機(jī)DTC控制因其轉(zhuǎn)矩具有良好的快速控制性能，受到人們的關(guān)注［1］。盡管DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，但電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動大，甚至出現(xiàn)電機(jī)共振現(xiàn)象。目前，減小轉(zhuǎn)矩脈動的主要方式有［2－9］:(1)提高采樣頻率，減小控制周期;(2)采用PI控制的SVPWM調(diào)制方法，降低轉(zhuǎn)矩脈動;(3)將空間電壓矢量細(xì)分，增加開關(guān)矢量表的容量，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的大小進(jìn)行分級控制，降低轉(zhuǎn)矩脈動。

為了降低轉(zhuǎn)矩脈動，提高磁鏈和轉(zhuǎn)矩的動靜態(tài)控制性能，本文研究感應(yīng)電動機(jī)DTC模糊邏輯十二電壓空間矢量控制方案。將六個(gè)基本電壓空間矢量增加到十二個(gè)電壓空間矢量，采用偏差細(xì)分方法擴(kuò)大空間電壓控制矢量的數(shù)量，提高控制精度?；谀：壿嬕?guī)則建立開關(guān)矢量表，通過選擇最優(yōu)的電壓矢量對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使得感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制獲得誤差最優(yōu)調(diào)節(jié)。

1 細(xì)分空間電壓矢量DTC控制

1.1 DTC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)感應(yīng)電動機(jī)DTC磁鏈與轉(zhuǎn)矩采用滯環(huán)式控制，只計(jì)及磁鏈與轉(zhuǎn)矩誤差的方向，而沒有計(jì)及磁鏈與轉(zhuǎn)矩誤差的大小，造成選取的電壓空間矢量控制不夠精細(xì)，引起電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動。為此，本文研究了基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應(yīng)電動機(jī)DTC控制結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1 基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應(yīng)電動機(jī)DTC控制結(jié)構(gòu)

圖1主要由模糊開關(guān)控制器、定子磁鏈及轉(zhuǎn)矩估計(jì)器和逆變器等單元組成。模糊開關(guān)控制器輸出選擇的最優(yōu)電壓空間控制矢量，實(shí)現(xiàn)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化控制。在感應(yīng)電動機(jī)DTC定子磁鏈靜止坐標(biāo)系α－β中，定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩估計(jì)器相應(yīng)方程如下:

1.2 細(xì)分十二電壓空間矢量

傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)只能輸出六個(gè)基本電壓矢量和兩個(gè)零矢量。本文在傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用六個(gè)基本電壓矢量的相鄰兩個(gè)矢量的角平分線的方向合成新的電壓矢量，得到在空間互差30°的十二個(gè)空間電壓矢量，如圖2所示。重新劃分的十二個(gè)空間電壓矢量和扇區(qū)如圖3所示。

圖2 主矢量和合成矢量

圖3 細(xì)分后的12個(gè)電壓矢量和對應(yīng)扇區(qū)

圖3 中，六個(gè)電壓矢量 V1、V3、V5、V7、V9、V11是原有的六個(gè)基本電壓矢量;六個(gè)新電壓矢量V2、V4、V6、V8、V10、V12由其相鄰電壓矢量合成得到。其中，V2由電壓矢量 V1和 V3合成，V4、V6、V8、V10、V12依此類推。這樣就得到十二個(gè)電壓矢量，通過選取合適的電壓控制矢量可消除不對稱和電流畸變，改善磁鏈軌跡?；谑噶亢铣煞ㄊ乖械牧鶄€(gè)電壓矢量擴(kuò)展到十二個(gè)，減小轉(zhuǎn)矩脈動。

1.3 DTC細(xì)分矢量的模糊邏輯控制器

模糊開關(guān)控制器的三個(gè)模糊輸入變量為轉(zhuǎn)矩偏差 ETM、磁鏈偏差 Eψs、定子磁鏈角 θs，輸出控制變量為逆變器開關(guān)狀態(tài)。其中:

轉(zhuǎn)矩偏差ETM和磁鏈偏差Eψs的量化論域如表1和表2所示。

表1 轉(zhuǎn)矩偏差ETM的量化論域

表2 磁鏈偏差Eψs的量化論域

設(shè)轉(zhuǎn)矩偏差 ETM的模糊子集 Ai(i=1，2，3，4，5，6)，論域?yàn)閄，劃分為6個(gè)等級，即X={－3，－2，－1，1，2，3}，Ai的 6 個(gè)語言變量為:NL(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正小);取 Eψs的模糊子集為 Bi(i=1，2，3，4，5，6)，論域?yàn)閅，劃分為6個(gè)等級，即 Y={－3，－2，－1，1，2，3}，Bi的6 個(gè)語言變量也為 NL、NM、NS、PS、PM、PL;把定子磁鏈角分成如圖3中間隔的12段，取12個(gè)狀態(tài)Ci(i=1～12);開關(guān)狀態(tài)N的選擇由ETM和Eψs決定，輸出量開關(guān)狀態(tài)N為離散值，取單值模糊子集Ni(i=0～12)。

模糊控制規(guī)則的語言形式:Ri:IF ETM=Ai，Eψs=Biand θs=Cithen N=Ni。

通過分析定子磁鏈及定子電流轉(zhuǎn)矩分量的空間矢量關(guān)系，得出模糊控制規(guī)則表如表3所示。這里只列出前6個(gè)扇區(qū)定子磁鏈角θs的電壓矢量取值情況，后6個(gè)扇區(qū)的電壓矢量取值情況與前6個(gè)扇區(qū)類似。

表3 模糊控制規(guī)則表

以 θ1區(qū)為例，當(dāng)磁鏈位于 θ1區(qū)，ETM=PL，Eψs=PL時(shí)，磁鏈和轉(zhuǎn)矩都需要增加，可以選擇的電壓矢量有V2、V3和 V4，由于 ETM=PL，所以轉(zhuǎn)矩需要增加幅值較大，選擇最優(yōu)的電壓矢量V4。

本系統(tǒng)模糊推理輸出直接是電壓矢量單點(diǎn)模糊集，也就是離散的電壓空間矢量，因此無需進(jìn)行解模糊。根據(jù)前述矢量平面不同扇區(qū)內(nèi)電壓空間矢量選擇的對稱性規(guī)律，對模糊控制器輸出的電壓空間矢量進(jìn)行反映射，即可得到實(shí)際控制時(shí)應(yīng)采用的電壓空間矢量。

2 仿真研究

將磁鏈與轉(zhuǎn)矩滯環(huán)式調(diào)節(jié)器用磁鏈和轉(zhuǎn)矩細(xì)分的十二電壓空間矢量 DTC模糊控制器替代，在MATLAB 7.8/Simulink環(huán)境下建立基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩細(xì)分的十二電壓空間矢量DTC模糊控制統(tǒng)系仿真模型，如圖4所示。

圖4 基于模糊邏輯十二電壓空間矢量的感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)仿真模型

仿真用電機(jī)參數(shù):額定功率PN=1.5 kW，額定電壓UN=380 V，額定電流IN=3.65 A，額定轉(zhuǎn)速Ne=1 400 r/min，定子電阻 RS=4.1 Ω，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=3.9 Ω，定子自感 LS=0.398 H，轉(zhuǎn)子自感 Lr=0.386 H，定、轉(zhuǎn)子間互感Lm=0.363 H。圖5和圖6分別為傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)定子磁鏈軌跡和基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)定子磁鏈軌跡。

圖5 傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)的定子磁鏈軌跡圖

圖6 基于模糊邏輯十二空間矢量的感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)的定子磁鏈軌跡圖

從圖中可以看出，改進(jìn)的DTC方案磁鏈軌跡比傳統(tǒng)的DTC磁鏈軌跡平滑了許多，更接近圓形，磁鏈幅值的波動較小。

為了對比這兩種控制方法的動態(tài)性能，在轉(zhuǎn)速為100 r/min輸出轉(zhuǎn)矩給定從+7 N·m突變?yōu)椋? N·m，給出了傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)和基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)在轉(zhuǎn)矩突變時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)仿真波形，如圖7和圖8所示。

圖7 傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖8 基于模糊邏輯十二空間矢量的感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

通過對比可以看到，傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩波動大，而基于模糊邏輯十二電壓空間矢量DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)性能較好，由于對電機(jī)的狀態(tài)劃分得更細(xì)，切換電壓矢量的選擇增多，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性能表現(xiàn)得更平滑，震蕩要小一些。

3 實(shí)驗(yàn)研究

本文采用數(shù)字信號處理器dsPIC30F6010A構(gòu)成DTC控制系統(tǒng)，逆變器主電路采用三菱IPM智能功率模塊PM50CLA120組成逆變器，在一臺1.5 kW感應(yīng)電動機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)電機(jī)的參數(shù)與仿真電機(jī)參數(shù)相同?；贒SP芯片 dsPIC30F6010A組成的DTC控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究平臺如圖9所示。

在電機(jī)負(fù)載情況下，對改進(jìn)DTC系統(tǒng)進(jìn)行測試，圖10為轉(zhuǎn)矩給定為Tref=5 N·m時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線;圖11和圖12分別為給定速度從50 r/min躍變到100 r/min時(shí)傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)的速度階躍響應(yīng)曲線和基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)的速度階躍響應(yīng)曲線。

圖9 感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)開發(fā)平臺

圖10 轉(zhuǎn)矩給定為Tref=5 N·m時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖

圖11 傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)的速度階躍響應(yīng)曲線

圖12 基于模糊邏輯十二電壓矢量的感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)速度階躍響應(yīng)曲線

從圖10至圖12中可以看出，基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制脈動較小，僅在給定值±0.5 N·m上下波動，具有很好的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)控制響應(yīng)特性;在速度控制性能上，改進(jìn)DTC系統(tǒng)的電機(jī)速度響應(yīng)較傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)的電機(jī)速度響應(yīng)要快，在給定速度階躍響應(yīng)下的電機(jī)實(shí)際速度脈動更小，且改進(jìn)DTC系統(tǒng)的速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行速度值所花時(shí)間更少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)的控制策略的正確性和有效性。

4 結(jié) 語

本文研究了基于矢量細(xì)分的十二電壓空間矢量DTC控制方案，有效地降低了電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動，提高了感應(yīng)電動機(jī)DTC系統(tǒng)動靜態(tài)性能。仿真與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:將磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差進(jìn)行細(xì)分，并進(jìn)行模糊分級，實(shí)施模糊邏輯控制，避免轉(zhuǎn)矩、磁鏈誤差很大和很小時(shí)選擇同一電壓矢量的弊病，以利快速準(zhǔn)確地選擇正確的電壓空間矢量，進(jìn)一步提高了控制精度，獲得較優(yōu)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制效果。

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