基于智能算法的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真研究

辛 麗，佘雙翔，許志偉

（1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014；2.湖南工程學(xué)院，湖南湘潭411101）

基于智能算法的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真研究

辛 麗1，佘雙翔1，許志偉2

（1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014；2.湖南工程學(xué)院，湖南湘潭411101）

本文闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用雙饋異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)的基本原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，采用動(dòng)態(tài)仿真工具M(jìn)ATLABSIMULINK建立DTC系統(tǒng)的通用模型并驗(yàn)證其正確性。針對(duì)傳統(tǒng)滯環(huán)Band-Band控制方法的不足，本文采用模糊神經(jīng)智能算法來(lái)改進(jìn)DTC系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了模糊控制器并進(jìn)行仿真對(duì)比分析，結(jié)果表明模糊控制能進(jìn)一步改善DTC系統(tǒng)性能，具有一定的理論價(jià)值和參考意義。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)；模糊控制；建模；仿真

引言

作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中的核心部分，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的性能對(duì)機(jī)組的綜合表現(xiàn)有著最直接的影響。異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，其控制技術(shù)主要有轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制（VC）和近幾年發(fā)展起來(lái)的直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，簡(jiǎn)稱(chēng)DTC）。

直接轉(zhuǎn)矩控制省去了矢量控制中的解耦過(guò)程，采用空間矢量分析方法，把轉(zhuǎn)子磁通定向變換為定子磁通定向，控制定子磁鏈的幅值以及該矢量相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，借助離散兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)（Band-Band控制）產(chǎn)生控制信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，獲得高動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制具有手段直接、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靜態(tài)性能穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，因此非常適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制。[1～4]

本文采用MATLABSIMULINK建立通用的異步電機(jī)DTC系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)特性仿真，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。同時(shí)，為改進(jìn)傳統(tǒng)DTC的缺點(diǎn)，提高轉(zhuǎn)矩性能，抑制低速脈動(dòng)，本文將在智能算法的理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)模糊神經(jīng)控制器，利用通用模型進(jìn)行仿真，對(duì)比分析其效果。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制

DTC系統(tǒng)一般由坐標(biāo)變換磁鏈觀測(cè)計(jì)算單元、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)單元、磁鏈調(diào)節(jié)單元、磁鏈位置判斷單元、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇單元、逆變器單元幾個(gè)部分組成。

2 模糊控制器的基本理論及設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦，傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩和磁鏈獨(dú)立的調(diào)節(jié)一般采定子用兩值bang-bang控制形式的滯環(huán)比較器來(lái)完成，而系統(tǒng)控制策略的核心是選擇恰當(dāng)?shù)碾妷菏噶恳员ＷC轉(zhuǎn)矩和磁鏈在容差范圍內(nèi)。故傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)不可避免地存在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)滯后、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等缺點(diǎn)。為了改善直接轉(zhuǎn)矩控制的性能，本文在智能算法的理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)模糊神經(jīng)控制器來(lái)改善直接轉(zhuǎn)矩控制的性能。

2.1 模糊控制原理

模糊邏輯在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用稱(chēng)為模糊控制，它能將操作經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示成語(yǔ)言描述的控制規(guī)則去控制系統(tǒng)。最基本的模糊控制器包括模糊化、模糊推理、清晰化三個(gè)主要功能模塊。

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

2.2.1 模糊變量

式中Ψsα ，Ψsβ是α，β坐標(biāo)系下的定子磁鏈，θ可用六個(gè)語(yǔ)言變量值θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6來(lái)描述。

（2）模糊變量EΨs計(jì)算公式：

（1）模糊變量θ及其錄屬度公式：

我們可以用四個(gè)語(yǔ)言變量描述定子磁鏈變化，定子磁鏈快速增加為正大（PL），緩慢增加為正?。≒S），緩慢減小為負(fù)小（NS），快速減小為負(fù)大（NL）。

（3）模糊變量ET計(jì)算公式：

下面用三個(gè)語(yǔ)言值來(lái)表征電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的變化，轉(zhuǎn)矩增加為正（P），轉(zhuǎn)矩變化較小為零（Z），轉(zhuǎn)矩減小為負(fù)（N）。

（4）控制變量

由于逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)U作為模糊控制器的控制變量，故模糊控制變量相應(yīng)地有八個(gè)語(yǔ)言值ui（i=0，…，7），即U的錄屬函數(shù)為：

2.2.2 模糊控制規(guī)則

作為DTC系統(tǒng)模糊控制器的核心，其第i條規(guī)則可以用下列語(yǔ)句表達(dá)：

Ri：If EΨSis Ai，ETis Biand θ is Ci，Then U is ui

2.2.3 模糊決策

經(jīng)過(guò)Mansdani的最小運(yùn)算規(guī)則轉(zhuǎn)化得出的第i條控制決策見(jiàn)式（5）：

基于模糊控制器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于模糊控制器的直接轉(zhuǎn)矩控制框圖

3 DTC系統(tǒng)建模

根據(jù)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用動(dòng)態(tài)仿真工具M(jìn)ATLABSIMULINK可建立相應(yīng)的系統(tǒng)仿真模型見(jiàn)圖2。

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)仿真模型

模型中磁鏈調(diào)節(jié)單元用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈幅值的直接自控制，對(duì)磁鏈幅值進(jìn)行兩點(diǎn)式的調(diào)節(jié)，其仿真模型圖3所示。

圖3 磁鏈調(diào)節(jié)單元仿真模型

4 DTC系統(tǒng)仿真分析

本節(jié)將對(duì)傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)以及模糊控制DTC的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析。仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)所用到的三相異步電機(jī)額定容量為7500VA，額定電壓為400V，頻率為50Hz，控制磁通為0.72Wb，額定轉(zhuǎn)矩為10N·m，速度參考值設(shè)為1000r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)為10N·m，通過(guò)更換控制子模塊，相同工況下傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)和模糊控制DTC系統(tǒng)的仿真對(duì)比結(jié)果如圖4～6所示（左為傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)，右為模糊控制DTC系統(tǒng)）。

圖4 磁鏈波形

圖5 啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)對(duì)比圖

圖6 穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)對(duì)比圖

仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所建仿真模型的正確性，模型可直接觀測(cè)電機(jī)各種運(yùn)行參數(shù)，能夠滿足系統(tǒng)的測(cè)試要求，實(shí)現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。從對(duì)比分析中可以看出模糊控制可以使得磁鏈的抖動(dòng)范圍縮小，具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)加快，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減少的優(yōu)點(diǎn)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面也收到了一定成效。

5 結(jié)論

本文在分析異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了DTC系統(tǒng)通用仿真模型，該模型具有良好的兼容性，只需修改其中的子系統(tǒng)模塊，即可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行本文所設(shè)計(jì)的模糊控制DTC系統(tǒng)的仿真方法方面的研究。對(duì)比分析表明將智能控制理論引入直接轉(zhuǎn)矩控制中，能夠較大程度改善感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)魯棒性，對(duì)后續(xù)智能控制策略的引入具有很大參考價(jià)值。

[1]李 夙.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]張春梅，爾桂花.直接轉(zhuǎn)矩控制研究現(xiàn)狀與前景[J].微電機(jī)，2000，33（6）：25～28.

[3]何映輝，李平康.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的Simulink仿真[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2005，25（2）：13～17.

[4]Jabeur-Seddik C.B.，F(xiàn)naiech F.Hysteresis and fuzzy based nonlinear controllers for a direct torque control of an induction machine IEEE International Conference on Industrial Technology，2005，1：38～43Vol.1.

TP273.5

A

2095-2066（2016）36-0025-02

2016-12-1

辛 麗（1982-），女，工程師，從事風(fēng)電工程電氣設(shè)計(jì)及電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)研究。