吉林大学学报工学版
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永磁同步电机模糊直接转矩控制的研究

  摘 要: 目前,永磁同步电机控制方法的热点集中在直接转矩控制上,但较大转矩脉动是束缚直接转矩控制推广使用的根本原因。为此,在永磁同步电机直接转矩控制系统融入模糊控制技术,以提高控制效果,并通过仿真加以验证。


  关键词: 永磁同步电机;直接转矩;模糊控制0 引言我国盛产稀土永磁材料,这为永磁电机的全面推广使用奠定了基础。目前,直接转矩控制(DTC)已成功地应用于异步电动机,鉴于其优越的动态响应,使永磁同步电机控制的研究热点也向此转移。在原理型DTC控制系统中,转矩及磁链的误差调节均采用滞环比较器。由于滞环比较器自身的特点,无论转矩、磁链的每次检测实际值与给定值相差多少,只要满足相同的控制趋势且属于同一扇区,就会在此采样周期选择相同的选择空间电压矢量,这将严重减弱运动控制系统的动态响应,并使系统输出的转矩值波动幅度的加大。为弥补以上不足,借鉴在异步电机的DTC中所成功采用的模糊控制原理,进一步细划定子磁链所在扇区,在不同的扇区采用不同的模糊规则,更进一步的提高原理型同步电机的DTC性能。


  1 PMSM的模糊DTC的原理在原理型DTC中采用滞环比较器调节转矩及磁链的误差,而滞环大小本身就不确定,是一个模糊语言变量,完全可以将其进行模糊划分,对应不同的语言变量采用不同的模糊控制规则,去除滞环比较器,采用模糊控制器来实现电压矢量的选择,将能有效达到降低转矩脉动的目的。图1是模糊DTC控制系统原理图。


  2 PMSM的模糊DTC的实现模糊控制器输入包括:定子磁链偏差 、转矩偏差ET以及定子磁链角θ;模糊控制器输出:逆变器的开关状态U。


  2.1 定子磁链误差 和转矩误差ET的模糊化为设计方便, 和ET在整个误差范围内分别被分成4个模糊子集:{NB(负大),NS(负小),PS(正小),PB(正大)};磁链误差及转矩误差模糊论域均为:[-2,2];图2为其隶属度函数。


  2.2 定子磁链角度 的模糊化在原理型的DTC控制中,六个非零空间矢量将空间平面划分为六个区间,每个区间成扇形且形状完全相同;各扇区所选满足相同磁链及转矩控制要求的最佳电压矢量有一定的规律性。所以分析模糊输入量在各种状态下电压矢量在一个扇区中的选择规律,就能映射出其他扇区相应的电压矢量,模糊规则数减少,动态响应速度却提高。定子磁链角度 无论在哪个扇区,通过公式6都可映射到[-30°,+30°]扇区空间角 。


  (1)由于输出值只能在六个电压矢量中选择,在对定子磁链角度 进行模糊化时,只需把[-30°,+30°]区间分成两个子集{A1,A2},图3是其隶属度函数。


  2.3 电压矢量U的模糊化离散的电压矢量只需划分六个模糊子集{u1,u2,u3,u4,u5,u6},图4为其隶属度函数。


  2.4 建立模糊控制规则DTC在实现定子磁链的圆形轨迹的同时更关心的是转矩的动态响应,而现实情况是任一种电压空间矢量的选择往往都无法同时满足对转矩与磁链控制要求;因此在转矩、磁链两者的要求不能同时满足时,应首先满足转矩的要求。由此在表1中总结出模糊推理规则。


  模糊控制器的本输出就是所需的清晰的变量,即在图5所示360°的空间矢量平面不同扇区内,电压空间矢量具有选择的对称性规律。


  图5 空间电压矢量及其对应扇区图对模糊控制器在[-30°,+30°]扇区内输出的电压空间矢量进行区间反映射,将其映射到360°的矢量平面,形成实际的电压空间矢量选择表2,从而使逆变器获得真正需要的电压空间矢量。


  3 原理型DTC及模糊DTC仿真实验结果及结论下图6、图7、图8分别为原理型与模糊DTC相应的磁链、转矩、转速响应。


  仿真结果表明,基于模糊控制技术的永磁同步电机的DTC在静、动态性能上比原理型DTC有所改善,完全能够满足对控制系统快速响应的性能要求。


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