基于模糊邏輯細分矢量的感應電動機DTC控制

佘致廷，蘭金奎，張紅梅，方 正

(湖南大學，湖南長沙410082)

0 引 言

感應電動機DTC控制因其轉矩具有良好的快速控制性能，受到人們的關注［1］。盡管DTC系統結構簡潔，但電機低速運行時轉矩脈動大，甚至出現電機共振現象。目前，減小轉矩脈動的主要方式有［2－9］:(1)提高采樣頻率，減小控制周期;(2)采用PI控制的SVPWM調制方法，降低轉矩脈動;(3)將空間電壓矢量細分，增加開關矢量表的容量，根據轉矩和磁鏈誤差的大小進行分級控制，降低轉矩脈動。

為了降低轉矩脈動，提高磁鏈和轉矩的動靜態控制性能，本文研究感應電動機DTC模糊邏輯十二電壓空間矢量控制方案。將六個基本電壓空間矢量增加到十二個電壓空間矢量，采用偏差細分方法擴大空間電壓控制矢量的數量，提高控制精度。基于模糊邏輯規則建立開關矢量表，通過選擇最優的電壓矢量對磁鏈和轉矩進行實時控制，使得感應電動機DTC系統的磁鏈和轉矩控制獲得誤差最優調節。

1 細分空間電壓矢量DTC控制

1.1 DTC系統的基本結構

傳統感應電動機DTC磁鏈與轉矩采用滯環式控制，只計及磁鏈與轉矩誤差的方向，而沒有計及磁鏈與轉矩誤差的大小，造成選取的電壓空間矢量控制不夠精細，引起電機運行時的轉矩脈動。為此，本文研究了基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應電動機DTC控制結構框圖，如圖1所示。

圖1 基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應電動機DTC控制結構

圖1主要由模糊開關控制器、定子磁鏈及轉矩估計器和逆變器等單元組成。模糊開關控制器輸出選擇的最優電壓空間控制矢量，實現定子磁鏈和轉矩的優化控制。在感應電動機DTC定子磁鏈靜止坐標系α－β中，定子磁鏈與轉矩估計器相應方程如下:

1.2 細分十二電壓空間矢量

傳統DTC系統只能輸出六個基本電壓矢量和兩個零矢量。本文在傳統DTC系統基礎上，利用六個基本電壓矢量的相鄰兩個矢量的角平分線的方向合成新的電壓矢量，得到在空間互差30°的十二個空間電壓矢量，如圖2所示。重新劃分的十二個空間電壓矢量和扇區如圖3所示。

圖2 主矢量和合成矢量

圖3 細分后的12個電壓矢量和對應扇區

圖3 中，六個電壓矢量 V1、V3、V5、V7、V9、V11是原有的六個基本電壓矢量;六個新電壓矢量V2、V4、V6、V8、V10、V12由其相鄰電壓矢量合成得到。其中，V2由電壓矢量 V1和 V3合成，V4、V6、V8、V10、V12依此類推。這樣就得到十二個電壓矢量，通過選取合適的電壓控制矢量可消除不對稱和電流畸變，改善磁鏈軌跡。基于矢量合成法使原有的六個電壓矢量擴展到十二個，減小轉矩脈動。

1.3 DTC細分矢量的模糊邏輯控制器

模糊開關控制器的三個模糊輸入變量為轉矩偏差 ETM、磁鏈偏差 Eψs、定子磁鏈角 θs，輸出控制變量為逆變器開關狀態。其中:

轉矩偏差ETM和磁鏈偏差Eψs的量化論域如表1和表2所示。

表1 轉矩偏差ETM的量化論域

表2 磁鏈偏差Eψs的量化論域

設轉矩偏差 ETM的模糊子集 Ai(i=1，2，3，4，5，6)，論域為X，劃分為6個等級，即X={－3，－2，－1，1，2，3}，Ai的 6 個語言變量為:NL(負大)、NM(負中)、NS(負小)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正小);取 Eψs的模糊子集為 Bi(i=1，2，3，4，5，6)，論域為Y，劃分為6個等級，即 Y={－3，－2，－1，1，2，3}，Bi的6 個語言變量也為 NL、NM、NS、PS、PM、PL;把定子磁鏈角分成如圖3中間隔的12段，取12個狀態Ci(i=1～12);開關狀態N的選擇由ETM和Eψs決定，輸出量開關狀態N為離散值，取單值模糊子集Ni(i=0～12)。

模糊控制規則的語言形式:Ri:IF ETM=Ai，Eψs=Biand θs=Cithen N=Ni。

通過分析定子磁鏈及定子電流轉矩分量的空間矢量關系，得出模糊控制規則表如表3所示。這里只列出前6個扇區定子磁鏈角θs的電壓矢量取值情況，后6個扇區的電壓矢量取值情況與前6個扇區類似。

表3 模糊控制規則表

以 θ1區為例，當磁鏈位于 θ1區，ETM=PL，Eψs=PL時，磁鏈和轉矩都需要增加，可以選擇的電壓矢量有V2、V3和 V4，由于 ETM=PL，所以轉矩需要增加幅值較大，選擇最優的電壓矢量V4。

本系統模糊推理輸出直接是電壓矢量單點模糊集，也就是離散的電壓空間矢量，因此無需進行解模糊。根據前述矢量平面不同扇區內電壓空間矢量選擇的對稱性規律，對模糊控制器輸出的電壓空間矢量進行反映射，即可得到實際控制時應采用的電壓空間矢量。

2 仿真研究

將磁鏈與轉矩滯環式調節器用磁鏈和轉矩細分的十二電壓空間矢量 DTC模糊控制器替代，在MATLAB 7.8/Simulink環境下建立基于磁鏈和轉矩細分的十二電壓空間矢量DTC模糊控制統系仿真模型，如圖4所示。

圖4 基于模糊邏輯十二電壓空間矢量的感應電動機DTC系統仿真模型

仿真用電機參數:額定功率PN=1.5 kW，額定電壓UN=380 V，額定電流IN=3.65 A，額定轉速Ne=1 400 r/min，定子電阻 RS=4.1 Ω，轉子電阻 Rr=3.9 Ω，定子自感 LS=0.398 H，轉子自感 Lr=0.386 H，定、轉子間互感Lm=0.363 H。圖5和圖6分別為傳統DTC系統定子磁鏈軌跡和基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應電動機DTC系統定子磁鏈軌跡。

圖5 傳統DTC系統的定子磁鏈軌跡圖

圖6 基于模糊邏輯十二空間矢量的感應電動機DTC系統的定子磁鏈軌跡圖

從圖中可以看出，改進的DTC方案磁鏈軌跡比傳統的DTC磁鏈軌跡平滑了許多，更接近圓形，磁鏈幅值的波動較小。

為了對比這兩種控制方法的動態性能，在轉速為100 r/min輸出轉矩給定從+7 N·m突變為－7 N·m，給出了傳統DTC系統和基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應電動機DTC系統在轉矩突變時的轉矩響應仿真波形，如圖7和圖8所示。

圖7 傳統DTC系統的轉矩響應曲線

圖8 基于模糊邏輯十二空間矢量的感應電動機DTC系統轉矩響應曲線

通過對比可以看到，傳統DTC系統穩態轉矩波動大，而基于模糊邏輯十二電壓空間矢量DTC系統的轉矩穩態性能較好，由于對電機的狀態劃分得更細，切換電壓矢量的選擇增多，電機的轉矩響應性能表現得更平滑，震蕩要小一些。

3 實驗研究

本文采用數字信號處理器dsPIC30F6010A構成DTC控制系統，逆變器主電路采用三菱IPM智能功率模塊PM50CLA120組成逆變器，在一臺1.5 kW感應電動機上進行了實驗研究，實驗電機的參數與仿真電機參數相同。基于DSP芯片 dsPIC30F6010A組成的DTC控制系統實驗研究平臺如圖9所示。

在電機負載情況下，對改進DTC系統進行測試，圖10為轉矩給定為Tref=5 N·m時的轉矩響應曲線;圖11和圖12分別為給定速度從50 r/min躍變到100 r/min時傳統DTC系統的速度階躍響應曲線和基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應電動機DTC系統的速度階躍響應曲線。

圖9 感應電動機DTC系統開發平臺

圖10 轉矩給定為Tref=5 N·m時的轉矩響應曲線圖

圖11 傳統DTC系統的速度階躍響應曲線

圖12 基于模糊邏輯十二電壓矢量的感應電動機DTC系統速度階躍響應曲線

從圖10至圖12中可以看出，基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應電動機DTC系統轉矩控制脈動較小，僅在給定值±0.5 N·m上下波動，具有很好的轉矩穩態控制響應特性;在速度控制性能上，改進DTC系統的電機速度響應較傳統DTC系統的電機速度響應要快，在給定速度階躍響應下的電機實際速度脈動更小，且改進DTC系統的速度達到穩態運行速度值所花時間更少。實驗結果進一步驗證了基于模糊邏輯十二電壓空間矢量感應電動機DTC系統的控制策略的正確性和有效性。

4 結 語

本文研究了基于矢量細分的十二電壓空間矢量DTC控制方案，有效地降低了電機轉矩脈動，提高了感應電動機DTC系統動靜態性能。仿真與實驗研究結果表明:將磁鏈和轉矩誤差進行細分，并進行模糊分級，實施模糊邏輯控制，避免轉矩、磁鏈誤差很大和很小時選擇同一電壓矢量的弊病，以利快速準確地選擇正確的電壓空間矢量，進一步提高了控制精度，獲得較優的磁鏈和轉矩控制效果。

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