基于神經網絡模糊控制的永磁同步電動機直接轉矩控制

    喬維德

(常州市廣播電視大學，江蘇常州213001)

    摘要：針對刃(磁同步電動機的直接轉矩控制(DTC)存在較大轉矩脈動的特點，提出了基于神經網絡與模糊邏輯的永磁同步電機直接轉矩控制策略，用訓練好的神經網絡建立定子磁鏈觀測器，將模糊控制算法引入逆變器狀態開關選擇器，通過對轉矩誤差、定子磁鏈誤差和磁鏈位置角的模糊分級來實現逆變器開關的分級控制。仿真及實驗結果表明，與常規DTC相比，該控制方法轉矩、轉速、磁鏈響應速度快、響應脈動小，具有良好的穩態跟蹤性能和優異的動態響應，適合工程實際應用。

    關鍵詞：水磁同步電動機；神經網絡；模糊邏輯；直接轉矩控制(DTC)

    中圖分類號：TM341；TP273⁺．3  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)08—0036—04

0引言

    直接轉矩控制(以下簡稱DTC)是繼矢量控制技術之后發展起來的又一種高性能的交流變頻調速技術，該控制方法摒棄了矢量控制中電流解耦的控制思想，應用空間電壓矢量的分析方法，直接在定子坐標下計算并控制電機的轉矩和磁通，采取定子磁鏈定向，借助離散的兩點式調節(Ban d—Ban d)產生PWM信號，從而直接對逆變器的開關狀態進行****控制，以獲得轉矩的優良動態性能。它省去了矢量控制中復雜的空間坐標變換，具有控制結構簡單、轉矩響應迅速、對轉子參數不敏感等優點。

    目前DTC已成功應用于異步電動機，近年來一些學者開始致力于該控制方式在同步電動機上的拓展，初步實現了永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)的直接轉矩控制。但在PMSM中由于轉子永磁磁通的始終存在，使用零電壓矢量盡管能控制定子磁鏈觀測器走走停停，卻無法控制轉矩瞬間減小，因此只能使用反電壓矢量來實現，而反電壓矢量的應用又往往使PMSM在轉矩響應加快的同時，會引起磁鏈和轉矩的劇烈變化，從而影響DTC的穩態性能^[1]。為了抑制轉矩脈動，有效提高PMSM直接轉矩系統的動、靜態性能，本文提出基于神經網絡和模糊邏輯的PMSM DTC策略，即利用神經網絡構造定子磁鏈觀測器，應用模糊邏輯推理設計逆變器狀態開關選擇器，從而使PMSM DTC系統獲得較強的魯棒性和優良的動態性能，文中對此進行了仿真分析和驗證。

1 PMSM DTC控制理論

    圖1為永磁同步電動機定、轉子磁鏈的空間矢量圖。Ψ_r為轉子磁鏈空間矢量，由于轉子是永磁體，Ψ_r為一常量；Ψ_s是定子磁鏈空間矢量，Ψ_r與Ψ_s夾角稱為功角δ。當定、轉子磁極軸線 

重合時，功角δ為O^。或180^。，兩磁極系統處于穩定或不穩定平衡狀態。功角δ=O^。時只存在平衡磁拉力，而不存在任何轉動趨勢；功角δ=180^。時處于不穩定平衡狀態，稍微加一擾動便立即恢復到功角δ=O^。的狀態，所以在以上兩種狀態下，電機均不能旋轉。只有保持功角δ≠0^。時，電機才能連續旋轉。

    由電磁學原理得出，PMSM輸出電磁轉矩與定子磁鏈幅值、轉子磁鏈幅值以及定、轉子磁鏈的夾角(功角)δ的正弦成正比。實際運行中，保持定子磁鏈幅值為額定值，以充分利用電動機鐵心；PMSM轉子磁鏈幅值通常取恒值，要改變電動機轉矩的大小，可以通過改變定、轉子磁鏈的夾角(功角)δ的大小來實現。而同步電機轉子磁極同轉子一起旋轉，不容易控制，所以DTc通過選擇不同的定子電壓矢量調節定子磁鏈旋轉速度與方向，就可以瞬時改變功角δ，得到快速的轉矩響應，從而實現轉矩的動態控制，這正是PMSM DTc的基本思想^[2,3]。DTc較采用通用變頻器的矢量控制方式相比，不需要依據或輸入準確的同步電機參數，它把轉矩直接作為被控量，不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是對轉矩進行直接控制，因此大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數變化影響的問題，既直接又簡化。

2 PMsM神經網絡模糊DTc系統

2.1控制系統結構

    PMSM神經網絡模糊DTc系統結構如圖2所示。圖2中，ω為給定角速度，ω為實際轉子角速度；T_e為給定電磁轉矩，T_e為實際電磁轉矩；Ψ_s為給定定子磁鏈，Ψ_sα、Ψ_sβ為定子磁鏈在α-β坐標中的分量；u_sα