基于模糊邏輯控制的永磁同步電動機SVM-DTC系統仿真

    嚴衛生，林海，丁明，張金鎖

    (西北工業大學，陜西西安710072)

    摘要：針對傳統的永磁同步電動機sVM—DTc系統_中采用的PI調節器對電機參數變化及外加干擾時魯棒差等問題，在分析永磁同步電動機數學模型的基礎上，提出了一種基于模糊控制的永磁同步電動機svM-DTc系統方案，設計了一種帶分離積分項的自適應模糊控制器，并替換了傳統的svM DTc系統中的轉速PI控制器、轉矩PI控制器和磁鏈H控制器，用MATLAB仿真軟件建立了系統模型。仿真結果表明該系統設計正確，所設計的模糊控制器優于常規控制器，能有效減小系統磁鏈和轉矩脈動，系統性能明顯改善。

    關鍵詞：永磁同步電動機；模糊邏輯控制；直接轉矩控制；空間矢量調制

O引  言

    直接轉矩控制(以下簡稱DTc)技術首先由德國學者M.Depenbrok和日本學者I．Takahashi提出。該策咯由于新穎的控制思想和優異的控制性能贏得了國內外眾多學者和專家的關注。近年來，DTc的應用對象也由最初的異步交流電機逐漸延伸到其他電機中。在眾多不同類型電機中，永磁同步電動機(以下簡稱PMsM)由于結構簡單、運行可靠和效率高等優勢越來越受到人們的關注，已經有學者將DTc應用于PMsM之中。具體控制策略如圖1所示。

雖然DTc策略有很多優點，但傳統的直接轉矩控制技術應用于永磁同步電動機中，仍然有一些問題需要解決，而磁鏈和轉矩脈動問題是研究的一個重點。圖1中，控制系統中采用的bang-bang控制容差大小對系統性能影響很大。固定容差使得系統磁鏈和轉矩總是處在上升或下降的狀態，這直接導致磁鏈和轉矩的脈動；電機在運行過程中，隨著溫度和頻率的升高，電機定子電阻也隨之改變，這使得電機轉矩和磁鏈估測不準，也導致了電機轉矩和磁鏈脈動。國內外很多學者都為此作出了很多的工作，在電機控制研究領域中這也成為了研究熱點之一。

    在眾多改進技術中，空間矢量調制(sVM)技術的應用成為了較好的改進方案之一，sVM技術使用相鄰的兩個工作電壓矢量及零電壓矢量合成出任意的參考電壓矢量，而參考電壓矢量可以通過兩個PI控制器來調整定子磁鏈幅值和轉矩獲得。但是由于PI調節器的設計要依賴于研究對象精確的數學抽象，當電機參數變化或有外來干擾時，控制器參數不能在線調整，降低了系統的控制性能。

    為此，本文提出一種基于模糊控制器的sVM-DTc方案。設計的一種帶分離積分項的自適應模糊控制器，將該控制器分別替代原有系統中的速度PI控制器、轉矩PI控制器和磁鏈PI控制器，以進一步改善系統的控制性能。仿真結果表明該模糊控制器減小了原系統轉矩脈動和磁鏈脈動，實現速度的精確控制，較原系統中的PI控制器性能更優，魯棒性更強。

1 PMSM數學模型

    以兩相導通星型三相六狀態為例，分析PMSM的數學模型及轉矩特型。為了方便分析，先做以下假設：

    (1)三相繞組完全對稱，氣隙磁場為正弦分布，定子電流、轉子磁場分布對稱；

    (2)忽略磁槽、換相過程和電樞反應等的影響；

    (3)電樞繞組在定子內表面均勻連續分布；

    (4)磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗；

(5)驅動二極管和續流二極管為理想元件。

則可以得到PMSM在轉子同步旋轉坐標系d_q軸系下的數學模型：

式中：Ψ_d、Ψ_q，i_d、i_q，V_d、Vq分別為定子磁鏈、定子電流和定子電壓在d、q軸分量；Ld、Lq為定子繞組d、q、軸等效電感；Ψ_f為轉子磁鏈；Rs為定子繞組電阻；p為電機極對數；ω_r為轉子機械角速度，ω=n_pω_r,ω為轉子電角速度；T_e為電磁轉矩；TL為負載轉矩；B為阻尼系數；，為電機轉動慣量。

2模糊SVM—DTC系統

    基于模糊控制器的永磁同步電動機sVM-DTc系統原理框圖如圖l所示。系統采用雙閉環控制方式，參考轉速與實際轉速的誤差經模糊控制器輸出參考轉矩，參考轉矩、參考磁鏈分別與估測轉矩、估測磁鏈的誤差經兩個模糊控制器生成參考電壓V_d和V_q,經過坐標變換后，控制空間矢量脈寬調制(以下簡稱svM)生成三相電壓源逆變器驅動脈沖，進而驅動永磁同步電動機。

    系統中的三