礦井提升機雙饋變頻調(diào)速的模糊邏輯控制方法

謝子殿，趙仕艷，金洪德，孟繁雯，亢健銘

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，總電能的很大一部分通過電動機轉(zhuǎn)換成機械能，電機在工業(yè)生產(chǎn)中占著舉足輕重的地位。在諸多不同類型的電機中，雙饋感應(yīng)電機成本低、結(jié)構(gòu)簡單、性能良好、可靠性高和易維護，已在風機、水泵、礦業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。礦井提升機是礦山開采和生產(chǎn)過程中的主要設(shè)備，安全、高效的運行關(guān)系著煤礦的經(jīng)濟效益.在提升機實際應(yīng)用中，由于電機本身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復雜性，調(diào)速控制系統(tǒng)難以達到預期效果，而直接轉(zhuǎn)矩控制精度高，動態(tài)響應(yīng)迅速，穩(wěn)定性高，以及其復雜性低于其它控制方式，如省掉了矢量控制復雜的變換與計算，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制，滿足礦井提升機雙饋調(diào)速系統(tǒng)中電機的運行要求。但傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制具有電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動大及定轉(zhuǎn)子電流諧波失真含量大的缺點[4-5]，使電機帶來如機械抖動、老化與過熱等，另外傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)能量回饋時造成電網(wǎng)污染，因此礦井提升機調(diào)速系統(tǒng)需采用先進的控制算法實時控制電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，H.Sudheer等[6-7]將模糊邏輯控制算法應(yīng)用在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，該算法能有效的抑制磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動，及降低定轉(zhuǎn)子電流諧波含量，改善了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩帶來的這些缺點。

1 雙饋調(diào)速系統(tǒng)原理

在提升機的運轉(zhuǎn)過程包括加速、勻速、減速、爬行四個階段，其中提升機高速穩(wěn)速運行是主要的運行階段。礦井提升機雙饋調(diào)速系統(tǒng)，見圖1，電機側(cè)變流器采用模糊邏輯直接轉(zhuǎn)矩控制方式控制電機轉(zhuǎn)速，網(wǎng)側(cè)變流器為直流側(cè)提供穩(wěn)定電壓，在此僅研究電機側(cè)變流器的控制策略。

圖1 提升機雙饋調(diào)速系統(tǒng)Fig. 1 Doubly-fed system of mine hoist

提升機雙饋調(diào)速系統(tǒng)的原理是將提升機定子繞組與工頻電網(wǎng)相連接，而轉(zhuǎn)子繞組接入能夠控制輸出電壓頻率、相位、幅值并能夠控制電機實現(xiàn)四象限運行的變頻器。提升機的轉(zhuǎn)子側(cè)電流及轉(zhuǎn)子側(cè)外加電壓為

(1)

(2)

s——轉(zhuǎn)差率；

Rr——轉(zhuǎn)子相電阻；

Xr——轉(zhuǎn)子相漏電抗；

將式(2)代入式(1)，經(jīng)簡化計算得轉(zhuǎn)子有功和無功電流為

(3)

(4)

式中：Zr——轉(zhuǎn)子漏阻抗幅值；

φr——轉(zhuǎn)子電路阻抗角；

Irp——轉(zhuǎn)子有功電流；

Irq——轉(zhuǎn)子無功電流。

2 直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速原理

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制原理是直接生成開關(guān)向量表，模糊直接轉(zhuǎn)矩控制是將開關(guān)向量表由模糊邏輯塊代替。

2.1 傳統(tǒng)DTC調(diào)速

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩采用查表法，逆變器產(chǎn)生八種電壓矢量，由電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈角三個因素共同決定，從中選取合適的電壓矢量，在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)中，由電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈與給定值偏差及轉(zhuǎn)子磁鏈空間位置共同決定選取合適的電壓矢量，生成開關(guān)向量，如表1所示。

表1 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩開關(guān)向量

傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)將轉(zhuǎn)矩脈動限制在一個較小的范圍內(nèi)，磁鏈滯環(huán)維持磁鏈的幅值恒定。開關(guān)表模塊接收轉(zhuǎn)矩和磁鏈的增減信號和磁鏈的角度信息，采用查表法選取轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器驅(qū)動脈沖，產(chǎn)生需要的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，另外，轉(zhuǎn)矩給定值是轉(zhuǎn)速誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器處理所得。

圖2 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)Fig. 2 System of conventional DTC

2.2 模糊DTC調(diào)速

由于脈動和諧波含量將會給電機帶來機械故障，如機械抖動、電機老化和過熱等一系列問題，不僅給整個調(diào)速系統(tǒng)帶來很大的危害，造成能源的浪費，而且降低了電機壽命。為了改善電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動及定轉(zhuǎn)子電流諧波含量，采用模糊邏輯控制方法將滯環(huán)調(diào)節(jié)器和開關(guān)向量表由模糊邏輯塊代替[8-10]，該方法能有效地解決這些問題，控制系統(tǒng)如圖3所示。

模糊控制器基本組成原理見圖4，輸入和輸出模塊分別代表量化因子模塊和比例因子模塊，“知識庫”框內(nèi)的幾個模塊依次代表隸屬函數(shù)庫、控制規(guī)則庫和清晰化方法庫。另外，“模糊控制器核心”框內(nèi)的幾個模塊依次代表模糊化運算、推理運算和清晰化運算。

圖3 模糊邏輯直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)Fig. 3 System of fuzzy logic DTC

圖4 模糊控制器原理Fig. 4 Principle of fuzzy controller

對雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)模糊邏輯控制器的展開設(shè)計，需分別對控制器的三個輸入模糊化處理，及對控制器的輸出解模糊，通過建立模糊規(guī)則，并采用合理的模糊推理和決策產(chǎn)生逆變器驅(qū)動脈沖。

模糊化過程目的是通過為每個輸入變量定義隸屬函數(shù)，將確定性輸入變量轉(zhuǎn)換為語言變量，轉(zhuǎn)矩誤差的隸屬函數(shù)圖5所示。

圖5 輸入轉(zhuǎn)矩誤差的隸屬函數(shù)分布Fig. 5 Membership function of torque error

轉(zhuǎn)矩誤差變量論域由三個模糊集組成，隸屬函數(shù)可以表示為

(5)

(6)

(7)

式中:eTe——轉(zhuǎn)矩誤差；

N(eTe)、Z(eTe)、P(eTe)——轉(zhuǎn)矩的三個模糊集合。

圖6為輸入變量轉(zhuǎn)子磁鏈誤差。

圖6 輸入轉(zhuǎn)子磁鏈誤差的隸屬函數(shù)分布Fig. 6 Membership function of rotor flux error

輸入變量轉(zhuǎn)子磁鏈誤差的隸屬函數(shù)的論域由三個模糊集和組成，其隸屬函數(shù)可以表示為

(8)

(9)

(10)

式中：eψr——磁鏈誤差；

N(eψr)、Z(eψr)、P(eψr)——磁鏈的三個模糊集合。

跨度為60°，輸入變量轉(zhuǎn)子磁鏈角的隸屬函數(shù)如圖7所示。論域由六個模糊集和組成，隸屬函數(shù)的類型采用三角形。

圖7 輸入轉(zhuǎn)子磁鏈角的隸屬函數(shù)分布Fig. 7 Membership function of rotor flux angle

清晰化過程的目的就是將由推理機制建立的模糊信息轉(zhuǎn)化為物理量或數(shù)值量，即在模糊集合的論域中找一個清晰值來代表它。輸出變量由三個子輸出組成(Sa、Sb、Sc)，表示轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的三個開關(guān)量，該輸出變量的隸屬函數(shù)如圖8所示，每個子輸出被分成兩個模糊集合(0和1)。

圖8 輸出開關(guān)變量隸屬函數(shù)分布 Fig. 8 Membership function of output of switching variable

為了能將模糊控制成功的應(yīng)用到調(diào)速系統(tǒng)，需對模糊規(guī)則設(shè)計，總共有54條規(guī)則(表2)，控制規(guī)則格式可表示為：If (eTeisX) and (eψrisY) and(θxisZ) then(nisNi)。

表2 模糊規(guī)則控制器

采用曼達尼型模糊推理的最大—最小合成法，第i條規(guī)則的作用強度為

αi=min(μXi(eTe)，μYi(eψr)，μZi(θx))，

(11)

式中：αi——第i條規(guī)則控制強度，i=1，2，…,54；

μXi、μYi、μZi——模糊變量轉(zhuǎn)矩誤差、轉(zhuǎn)子磁鏈誤差和轉(zhuǎn)子磁鏈角的隸屬函數(shù)。

通過曼達尼型的取小算子模糊推理運算，可得第i條規(guī)則對應(yīng)的控制決策為

(12)

式中，μNi——輸出變量n的隸屬函數(shù)。

經(jīng)聚類分析，輸出量n的最終隸屬函數(shù)方程為

(13)

此處的輸出仍然是一模糊集，需解模糊化，最終變成開關(guān)量n，即輸出變量三個子輸出組成(Sa、Sb、Sc)。

3 系統(tǒng)仿真設(shè)計與分析

3.1 仿真設(shè)計

系統(tǒng)仿真主要包含三個部分：主電路仿真設(shè)計、計算模塊仿真設(shè)計和模糊模塊仿真設(shè)計。電機采用三相繞線式異步電機，模糊模塊采用Matlab/Simulink中的模糊控制器，以轉(zhuǎn)矩、磁鏈和磁鏈角作為輸入信號，其輸出信號為開關(guān)量信號，其中轉(zhuǎn)矩和磁鏈信號經(jīng)過滯環(huán)比較控制器輸入到模糊模塊控制器，輸出開關(guān)信號經(jīng)邏輯傳輸?shù)侥孀兤?。模糊邏輯?guī)則編輯器見圖9所示，通過規(guī)則編輯器控制模糊控制器的輸出信號，由表2可知，規(guī)則編輯器總共54條規(guī)則。

圖9 模糊規(guī)則編輯器Fig. 9 Fuzzy rule editor

礦井提升機調(diào)速系統(tǒng)及模糊模塊仿真見圖10，其模糊直接轉(zhuǎn)矩方式由模糊控制器實現(xiàn)，該控制器三個輸入信號和三個輸出信號，模糊控制器的輸出信號輸入到邏輯傳送模塊形成6路開關(guān)信號。

圖10 調(diào)速系統(tǒng)仿真Fig. 10 Speed control system simulation

3.2 仿真結(jié)果

搭建雙饋感應(yīng)電機傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制和模糊邏輯直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)計網(wǎng)側(cè)直流電源為Udc=600 V，電動機的類型選用雙饋繞線式感應(yīng)電機，電機主要參數(shù)：額定功率630 kW，定子相電壓380 V，定轉(zhuǎn)子漏感0.5 mH，定轉(zhuǎn)子電阻0.02 Ω，互感0.3 mH，極對數(shù)2，轉(zhuǎn)動慣量20 kg·m2。礦井提升機雙饋變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真條件：0 s時初始給定轉(zhuǎn)速n*=1 300 r/min，6 s時給定轉(zhuǎn)速躍變到200 r/min，兩種控制策略仿真條件下轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡和電磁轉(zhuǎn)矩見圖11和12，模糊邏輯控制器下電機磁鏈軌跡更為圓滑且減速階段轉(zhuǎn)矩脈動小。

電機定子電流局部放大及傅里葉分析結(jié)果見圖13、14、200 r/min穩(wěn)速階段時，5個周期定子a相電流的傅里葉分析，傳統(tǒng)DTC和模糊DTC兩種控制方式下定子a相電流的主要頻率都為50 Hz，但諧波含量分別為5.12%和2.31%，模糊DTC控制方式下諧波含量降低50%以上。對10個周期轉(zhuǎn)子a相電流(圖15)進行傅里葉分析，轉(zhuǎn)子a相電流兩種控制方式下諧波含量η分別為11.04%和5.34%，模糊DTC控制方式下諧波含量降低50%以上。

兩種控制方式下電機轉(zhuǎn)速波形見圖16，在模糊控制器下保持了傳統(tǒng)DTC調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的魯棒性。電機能穩(wěn)定運行在加速、穩(wěn)速、減速和爬行運行階段，滿足提升機運行要求，對在Matlab/Simulink仿真平臺下的兩種控制策略仿真結(jié)果進行分析，仿真分析結(jié)果如表3所示。

圖11 轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡Fig. 11 Rotor’s trajectory

圖12 電磁轉(zhuǎn)矩Fig. 12 Electromagnetic torque

圖13 DTC下定子電流Fig. 13 Stator’s current for DTC

圖14 DTC下定子電流傅里葉分析Fig. 14 Fourier analysis of DTC stator carrent

感應(yīng)電機這四種性能參數(shù)得到明顯的改善，轉(zhuǎn)子磁鏈φr和電磁轉(zhuǎn)矩Te脈動分別降低了60.00%、25.93%，定轉(zhuǎn)子電流THD分別降低了54.88%、51.63%，電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間提高了0.041 s，感應(yīng)電機到達給定轉(zhuǎn)速的時間幾乎不變，保持了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)速度快和良好魯棒性，且轉(zhuǎn)速無脈動。

圖15 轉(zhuǎn)子電流Fig. 15 Rotor’s current

圖16 電機轉(zhuǎn)速Fig. 16 Motor’s speed

表3 傳統(tǒng)與模糊邏輯DTC參數(shù)對比

4 結(jié) 論

采用模糊邏輯直接轉(zhuǎn)矩控制，電機轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩波動明顯降低，減少了電機發(fā)熱、機械振動、老化等問題，提高了能源利用率；電機定子和轉(zhuǎn)子電流的諧波含量降低，均降低50%以上，減少了當電能回饋電網(wǎng)時對電網(wǎng)的污染；電機響應(yīng)轉(zhuǎn)速加快、調(diào)節(jié)時間小、準確無超調(diào)，保持了傳統(tǒng)DTC調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點。