摘    要：為了改善基于空間矢量調制的直接轉矩系統的動態性能及低速性，分析了傳統SVM-DTC中采用兩個PI控制器來產生參考電壓矢量，存在PI控制器參數難以確定的問題，提出了一種基于雙模糊空間矢量調制( SVM)的異步電機直接轉矩控制(DTC)策略。闡述了產生磁鏈和轉矩參考電壓矢量的模糊控制器的具體的設計過程，即模糊控制器的輸入變量分別為磁鏈、轉矩誤差和磁鏈、轉矩誤差的變化率，輸出為參考電壓矢量的磁鏈、轉矩分量。對該控制方法在基于Simulink的仿真軟件和基于DSP2812的控制芯片的實驗裝置分別進行了仿真與實驗，并與傳統的SWl-DTC進行了比較。仿真和實驗結果表明，雙模糊SVRl-DTC控制系統動態性能好，有效提高了系統的低速性能。

關鍵詞：異步電機；直接轉矩控制；空間矢量調制；模糊控制；低速性

中圖分類號：TP 27    文獻標識碼：A

  傳統的直接轉矩控制是借助轉矩的Bang-Bang控制來實現PWM的控制策略。同時電存在開關頻率不固定的問題。而且不可避免會引起轉矩急劇的增加或減少。為了解決這些問題，采用空間矢董調制(SVM)技術的DTC算法極大減小輸出轉矩脈動，且開關頻率得到固定。參考電壓矢量求取是SVM的關鍵，普遍采用2個PI控制器來調整定子磁鏈和轉矩，以獲得參考電壓矢量。實際上該方法并不能達到精確控制的效果，因為PI控制依賴于磁鏈和轉矩的準確觀測，特別是低速運行時，磁鏈和轉矩的不準確觀測極大地影響了PI的控制性能。目前，模糊控制在直接轉矩控制系統中廣泛應用，顯示了其魯棒性強的優越性。

    因此，為了提高系統的魯棒性和低速性能，本文提出了一種雙模糊空間矢量調制的直接轉矩控制方法。

  采用空間矢量的數學分析方法，以定子磁場定向，建立在靜止正交定子坐標系“毋上的數學模型如下，

磁鏈方程：

    直接轉矩控制系統在低速運行時采用近似圓形的磁鏈軌跡，通過檢測定子電壓和定子電流，經坐標變換，得到電壓電流，然后用式(1)，式(2)觀測。用式(3)觀測轉矩t，從而實現異步電機的直接轉矩控制。

    1)空間矢量調制的基本原理空間矢量調制技術利用相鄰的基本電壓空間矢量可以合成任意大小和方向的參考電壓矢量，如圖1所示。

   

   相鄰電壓矢量由參考電壓矢量的相位角判定。空間矢量合成的表達式為

  式中，U1，U2為用于合成的基本電壓矢量；u0為零矢量；Us為合成的參考電壓矢量；且滿足T0=T1+T2+T3，To為一個控制周期。

  將式(4)轉換到靜止坐標系的坐標軸上：

θ1和θ2分別為電壓矢量U1和U2與a軸正方向的夾角。矢量作用時間根據式(5)和式(6)求取。

    舉例說明，圖l中利用相鄰基本電壓矢量u4和U6合成參考電壓矢量Us。將θ1=0度和θ2= 60度代人式(6)和式(7)，可求得電壓矢量的作用時間分別為

    2)雙模糊SVM-DTC控制實現傳統的直接轉矩控制不可避免地存在磁鏈和轉矩誤差。能夠補償磁鏈和轉矩誤差的電壓矢量稱為參考電壓矢量。如何求得參考電壓矢量是SVM-DTC算法的核心聞題。雙模糊SVM-DTC控制原理，如圖2所示。

    從控制原理框圖可看出，實現系統控制性能的主要模塊是磁鏈模糊控制器和轉矩模糊控制器；轉矩誤差經過轉矩模糊控制器得到旋轉坐標系下參考電壓矢量酌q軸分量，定子磁鏈誤差經過磁鏈模糊控制器得到旋轉坐標系下參考電壓矢量的d軸分量。得到的參考電壓矢量是在旋轉坐標系下的2個電壓矢量分量，將其送人SVM之前，先分別轉換到靜止的定子“管坐標系下，轉換關系式如下：

    轉換生成的2個在靜止坐標系下的分量送人SVM模塊之后，生成控制逆變器開關狀態的PWM信號，從而實現基于雙模糊空間矢量調制的直接控制。

 

    1)變量的模糊化及隸屬度函數磁鏈模糊控制器根據磁鏈誤差大小及其變化相應的輸出參考電壓矢量的d軸分量u定義其輸入、輸出變量。其輸入變量有2個：磁鏈誤差Eφ和磁鏈誤差變化率ΔEφ,輸出變量有1個，即參考電壓矢量的d軸分量鞏。Eφ包含3個模糊子集(Ns，Z，Ps)，ΔEφ有3個模糊子集(N，Z，P)，Ud有5個模糊子集(NL，NS，Z，Ps，PL)。

  轉矩模糊控制器根據轉矩誤差大小及其變化相應的輸出參考電壓矢量的q軸分量U定義其輸入、輸出變量。其輸入變量有2個：轉矩誤差ET和轉矩誤差變化率ΔET。輸出變量有1個，即參考電壓矢量的q軸分量Uq。ET包含5個模糊子集(NL，NS，Z，ps，PL)，ΔET有3個模糊子集(N，Z，P)，Uq有5個模糊子集(NL，NS，Z，Ps，PL)。磁鏈模糊控制器的模糊變量Eφ，ΔEφ和Ud的隸屬度函數分布，如圖3所示。

    轉矩模糊控制器的模糊變量ET，ΔET，和Uq的隸屬度函數分布，如圖4所示。

    2)模糊控制規則的建立根據SVM-DTC系統的控制原理，直接轉矩控制的思想是當轉矩和磁鏈的誤差值在滯環比較器的范圍內，磁鏈或轉矩輸出為1或O，通過磁鏈、轉矩的大小進行空間矢量的選擇，從而實現轉矩的直接控制。如當存在磁鏈誤差正向較大時，磁鏈比較器的輸出為1，且轉矩的誤差為正向較大時，選擇的電壓矢量為U1(011)；把此規律反映到轉矩和磁鏈的參考電壓矢量上，于是有當磁鏈誤差為正向較大( PL)、磁鏈誤差的變化率為負向較大(N)時，輸出的參考電壓矢量為o(z)；當存在轉矩誤差為正(P)、轉矩誤差的變化率為正(P)時，輸出的參考電壓矢量為負大(NL)。根據這一普遍的變化規律得出磁鏈和轉矩的模糊控制規則，見表l，表2。

 

 

    該控制規則適用于空間矢量調制的直接轉矩控制系統。

   模糊規則采用If-Then形式表示，磁鏈／轉矩模糊控制器第i條規則表示為

 

    其中，Ai，Bj，Cij為磁鏈／轉矩誤差Eφ/ET磁鏈／轉矩誤差變化率ΔEφ/ΔET、以及參考電壓矢量d/q軸分量Ud/Uq的子集變量。磁鏈模糊控制器有15條規則，轉矩模糊控制器共有9條模糊控制規則。

    3)模糊推理與清晰化磁鏈／轉矩模糊控制器均采用Mamdani模糊推理法，第i條模糊規則所對應的模糊關系如下：

    由于模糊推理得到的控制量是一個模糊集合，而被控對象只能接受精確的控制量，因此必須經過清晰化處理，精模糊控制量采用重心法轉換成精確量實現控制。

   1)仿真及結果分析該控制系統主要是以湘潭電機廠研制的礦山機械變頻技術中15 kW電機的直接轉矩控制方法為具體的研究對象，利用Mat—ab/Simulink仿真軟件搭建了基于雙模糊SVM-DTC控制系統仿真模型，對基于雙模糊SVM-DTC系統的控制原理進行驗證。

   具體仿真條件設定為：負載啟動，轉速給定值為50 r/min；負載轉矩為O；雙模糊SVM-DTC系統和傳統的SVM-DTC，系統的仿真參數相同，仿真時間設為0 8 s。仿真結果，如圖5所示。

   

由圖5中的仿真結果可知，雙模糊SVM-DTC系統，相對于傳統SVM-DTC系統在低速時，定子磁鏈的曲線更接近圓形，基本沒有脈動量；轉速響應變快，低速時很快變得很平緩，電流與轉速的脈動量較傳統的SVM-DTC系統大大減小；轉短響應速度加快，并能很快達到穩定、無波動。

   2）實驗及結果分析為了進一步驗證本文提出的控制方法的正確性，在以TMS320LF2812為控 制芯片的控制平臺上進行實驗驗證，對應的電機參數與仿真參數相同。實驗結果，如圖6所示。

   

    圖6中實驗結果表明，仿真結果與實驗結果基本相近，從而進一步驗證了基于雙模糊SVM-DTC系統具有更好的轉矩特性和轉速特性，并且對系統的磁鏈誤差有很好的魯棒性，大大提高了控制系統的低速性能，從而證實了新策略的有效性。

    本文基于模糊控制理論提出一種雙模糊SVM-DTC控制策略。傳統的SVM-DTC系統采用PI控制器產生參考電壓矢量，采用磁鏈、轉矩模糊控制器代替PI控制器，進一步提高SVM-DTC系統低速時的控制性能。通過與傳統的SVM-DTC系統進行了仿真、實驗、驗證。仿真和實驗結果表明，該控制方法能夠大大減小系統的轉矩、轉速及磁鏈的脈動量，可有效提高系統的動靜態性能，尤其是控制系統的低速性能。