基于模糊決策補(bǔ)償控制器的定子磁鏈估算系統(tǒng)

鐘大志 高麗娟 劉鳴濤 羅榮福

（1.湖州越球電機(jī)有限公司 湖州 313009；2.浙江瑪拓驅(qū)動設(shè)備有限公司 湖州 313009；3.嘉興威凱檢測技術(shù)有限公司 嘉興 314000）

引言

在現(xiàn)實(shí)的異步感應(yīng)電動機(jī)控制中，常采用的是異步電機(jī)矢量控制和異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方式，基于純電壓積分磁鏈觀測器模型的方案，由于不需要獲取電機(jī)的反饋信號、控制邏輯較為簡單、算法與實(shí)際制作容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)用中較為普遍，但是純電壓積分磁鏈觀測器模型具有其自身的不足之處：一是純電壓積分磁鏈觀測器常常因?yàn)殡娐窓z測產(chǎn)生直流漂移而導(dǎo)致積分器飽和，出現(xiàn)誤差。二是積分器的初始時(shí)刻存在偏置。針對于純電壓積分磁鏈觀測器的不足，國內(nèi)外一些學(xué)者也提出了一些觀測器改進(jìn)方案。如何志明等在“定子磁鏈觀測器低通濾波器的改進(jìn)”文章中提出了基于補(bǔ)償加低通濾波器的方案，該方案確實(shí)能夠提升觀測器的速度和提高觀測器的精度，但無法解決檢測電路出現(xiàn)的直流偏移及積分器初始時(shí)刻存在直流偏置的問題。張星等學(xué)者在文章“一種能消除直流偏置和穩(wěn)態(tài)誤差的電壓型磁鏈觀測器”中提出了一種帶通濾波器方案串聯(lián)磁鏈補(bǔ)償器網(wǎng)絡(luò)的方法，該模型確實(shí)能夠很好的解決電壓積分器的直流偏置問題，但其速度響應(yīng)的時(shí)間較慢，尤其是在電機(jī)運(yùn)行在高速時(shí)，極易產(chǎn)生振蕩，且磁鏈估測器中存在高頻噪音分量。本論文為了解決純電壓積分磁鏈觀測器常常因?yàn)殡娐窓z測產(chǎn)生直流漂移和積分器的初始時(shí)刻存在直流偏置問題，并兼顧提升磁鏈觀測器的速度響應(yīng)，提出了一種基于模糊控制理論的決策方案，具有對高通濾波器補(bǔ)償系數(shù)kH和低通濾波器補(bǔ)償系數(shù)kL參數(shù)的模糊決策處理能力，把異步電機(jī)的歷史值和動態(tài)信號誤差帶到?jīng)Q策方案中，具有前饋補(bǔ)償?shù)某邦A(yù)測能力，提高了定子磁鏈觀測器的精度，提升其動態(tài)響應(yīng)能力。

1 基于模糊決策補(bǔ)償控制器的定子磁鏈估算系統(tǒng)分析

本論文是通過模塊化的設(shè)計(jì)方案，通過電壓積分磁鏈觀測器和模糊控制器理論等技術(shù)，提出一種基于帶通濾波器系數(shù)模糊處理控制器的電壓模型定子磁鏈估算系統(tǒng)及方法。其觀測器包含定子繞組反感應(yīng)電動勢采集模塊、FDL和FDH模糊決策補(bǔ)償器模塊、模糊補(bǔ)償模塊和模糊帶通濾波器模塊。

1.1 定子繞組反感應(yīng)電動勢采集模塊

通過采集異步感應(yīng)電動機(jī)靜止坐標(biāo)α、β下的定子電壓usα、usβ和定子電流isα、isβ，采集異步感應(yīng)電動機(jī)的定子頻率ωe，得到異步感應(yīng)電機(jī)的定子反感應(yīng)電動勢esα、esβ。其定子反感應(yīng)電動勢依據(jù)公式（1）計(jì)算獲得，其中rs為電機(jī)的定子繞組相電阻。

1.2 FDL和FDH模糊決策補(bǔ)償器模塊

FDL和FDH模糊決策補(bǔ)償器模塊是通過模糊決策補(bǔ)償器分別對高通濾波器補(bǔ)償系數(shù)kH和低通濾波器補(bǔ)償系數(shù)kL進(jìn)行模糊化決策處理，得到模糊高通濾波器補(bǔ)償系數(shù)FDH和模糊低通濾波器補(bǔ)償系數(shù)FDL。

濾波器補(bǔ)償系數(shù)的動態(tài)誤差定義，跟蹤其誤差ekH、ekL和變化eckH、eckL分別定義為：

定義yFDH的模糊輸出器yFDH=f（ekH，eckH）和yFDL=f（ekL，eckL），然后將yFDH和yFDL進(jìn)行量化處理，通過量化因子Ke和Kec來提高誤差及變化的靈敏度。然后映射到模糊集合論域中，通常下，n的取值越大，系統(tǒng)的控制精度和效果就越高，但n太大導(dǎo)致模糊控制規(guī)則的確定難度增大，在異步感應(yīng)電機(jī)的定子磁鏈估算中，采用7因子論域可以滿足精度要求，然后建立其成員函數(shù)，定義模糊論域?yàn)樨?fù)大（FD），負(fù)中（FZ），負(fù)?。‵X），零位（LW），正?。╖X），正中（ZZ），正大（ZD），其模糊決策補(bǔ)償器的成員函數(shù)表為圖1。

得到模糊決策補(bǔ)償器的成員函數(shù)后，建立模糊決策表如圖2，通過IF-THEN決策選擇規(guī)則作出決策，得到相對應(yīng)的誤差ekH、ekL和變化eckH、eckL的映射值FDH和FDL。

1.3 模糊補(bǔ)償模塊

模糊補(bǔ)償模塊是把異步感應(yīng)電動機(jī)的反感應(yīng)電動勢esα、esβ，與定子頻率ωe，通過具有符號函數(shù)sgn（）的補(bǔ)償模塊輸出得到y(tǒng)sα和ysβ輸出量。

1.4 模糊帶通濾波器模塊

模糊帶通濾波器模塊是把輸出量ysα和ysβ通過模糊帶通濾波器模塊處理后，得到異步感應(yīng)電動機(jī)的模糊定子磁鏈估算值ψFDsα和ψFDsβ。

2 模糊決策補(bǔ)償定子磁鏈估算系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

本論文的定子磁鏈估算系統(tǒng)是基于模糊控制理論與決策論方法，結(jié)合帶通濾波器的優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)出具有模糊決策高通濾波系數(shù)及低通濾波系數(shù)的補(bǔ)償系統(tǒng)。具體的實(shí)現(xiàn)方法是通過獲取α及β軸電壓分量、電流分量、補(bǔ)償輸出和磁鏈估算帶通濾波來實(shí)現(xiàn)。

2.1 α及β軸電壓分量采集與計(jì)算

通過信號采集元件實(shí)時(shí)采集異步感應(yīng)電動機(jī)的線電壓uab、ubc，然后換算到靜止坐標(biāo)下獲得α、β軸電壓分量：

2.2 α及β軸電流分量采集與計(jì)算

通過信號采集元件實(shí)時(shí)采集三相定子電流usa、usb和usc，把他們換算到靜止坐標(biāo)下獲得α、β軸電流分量：

通過本論文公式（1）計(jì)算得出電機(jī)的反感應(yīng)電動勢在α、β靜止坐標(biāo)下的分量值esα、esβ。

2.3 α及β軸模糊補(bǔ)償量輸出

具有模糊補(bǔ)償模塊的輸出量ysα和ysβ為：

式中sgn（）為符號函數(shù)，F(xiàn)DH和FDL分別為高通濾波器補(bǔ)償系數(shù)kH和低通濾波器補(bǔ)償系數(shù)kL進(jìn)行模糊化決策處理后的模糊濾波器補(bǔ)償系數(shù)。

2.4 α及β軸模糊定子磁鏈估算

本論文的異步感應(yīng)電動機(jī)定子磁鏈估算的帶通濾波器表達(dá)式為：

式中s為拉普拉斯算子，ψFDsα和ψFDsβ分別為α軸和β軸估算的具有模糊決策補(bǔ)償系數(shù)的定子磁鏈。

2.5 模糊定子磁鏈估算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖1 模糊決策補(bǔ)償器的成員函數(shù)

圖2 模糊決策補(bǔ)償器決策表

圖3 具有模糊決策補(bǔ)償?shù)亩ㄗ哟沛湽浪阆到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本論文是一種基于帶通濾波器系數(shù)模糊處理控制器的電壓模型定子磁鏈估算系統(tǒng)和方法，通過模糊決策補(bǔ)償器分別對高通濾波器補(bǔ)償系數(shù)kH和低通濾波器補(bǔ)償系數(shù)kL進(jìn)行模糊化決策處理，得到模糊高通濾波器補(bǔ)償系數(shù)FDH和模糊低通濾波器補(bǔ)償系數(shù)FDL。把異步感應(yīng)電動機(jī)的反感應(yīng)電動勢esα、esβ，與定子頻率eω，通過具有符號函數(shù)sgn（）的補(bǔ)償模塊輸出得到y(tǒng)sα和ysβ輸出量，然后把模糊高通濾波器補(bǔ)償系數(shù)FDH和模糊低通濾波器補(bǔ)償系數(shù)FDL通過帶通濾波器進(jìn)行處理，獲得具有模糊控制補(bǔ)償?shù)亩ㄗ哟沛湽浪阒担湎到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3 結(jié)論

本論文涉及的模糊決策補(bǔ)償定子磁鏈估算系統(tǒng)與傳統(tǒng)的帶通濾波器定子磁鏈估算方法相比，具有對高通濾波器補(bǔ)償系數(shù)kH和低通濾波器補(bǔ)償系數(shù)kL參數(shù)的模糊決策處理，把異步電機(jī)的歷史值和動態(tài)信號誤差帶到?jīng)Q策方案中，具有前饋補(bǔ)償?shù)某邦A(yù)測能力，通過實(shí)際的控制系統(tǒng)驗(yàn)證得出該估算系統(tǒng)提高了定子磁鏈觀測器的精度，也具有很好的動態(tài)響應(yīng)能力，在實(shí)際的電機(jī)控制策略中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。