羅浩 張雷

摘? 要：與異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩慣量比大等優(yōu)點(diǎn)。但是它也存在定子和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，開關(guān)頻率不恒定等諸多問題。該文針對永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的問題，提出了一種永磁同步電機(jī)無磁鏈閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩模糊控制的方法。該方法采用模糊控制器作為轉(zhuǎn)速環(huán)的控制器，并去除磁鏈閉環(huán)，加入磁鏈限幅環(huán)節(jié)，將轉(zhuǎn)矩作為控制目標(biāo)，通過模糊控制器的優(yōu)化，得出系統(tǒng)具有良好動(dòng)態(tài)性能和自適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);直接轉(zhuǎn)矩;模糊控制

中圖分類號(hào)：TM351? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在現(xiàn)代高性能交流伺服系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)具有諸多優(yōu)勢：如結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、功率因數(shù)高以及穩(wěn)定可靠等。由于稀土材料的迅猛發(fā)展，永磁同步電機(jī)的生產(chǎn)成本大大降低，它漸漸替代異步電機(jī)成為各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的熱點(diǎn)對象，如航天飛行、導(dǎo)彈追蹤和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域均能看到它的身影。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（Direct Torque Control， DTC）將磁鏈和轉(zhuǎn)矩作為被控目標(biāo)，通過篩選出合理的電壓矢量，直接對其進(jìn)行控制，簡化了繁瑣的控制過程。它具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，對轉(zhuǎn)子參數(shù)依賴性弱等特點(diǎn)。一經(jīng)提出，便得到了普遍關(guān)注。

盡管直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)擁有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)系統(tǒng)中應(yīng)用的滯環(huán)比較器存在遲滯缺陷，致使逆變器開關(guān)頻率不恒定且產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。圍繞這些問題，專家提出了許多改進(jìn)方案。例如基于占空比調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制、基于模型預(yù)測的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)等。該文基于空間矢量調(diào)制的基礎(chǔ)上，對永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種無磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制方案，并進(jìn)行了模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是20世紀(jì)80年代提出的一種高性能電機(jī)控制方法，它省略了復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體，直接對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。這種方法最早應(yīng)用于異步電機(jī)上，利用空間電壓矢量控制定子和轉(zhuǎn)子之間的差值達(dá)到控制的目的。不同于異步電機(jī)的是，永磁同步電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子是同步旋轉(zhuǎn)的，它們之間不存在差值，因此，兩者的實(shí)現(xiàn)方法稍有差別。對于表面式結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)，直軸電感等于交軸電感，即Ld=Lq，則轉(zhuǎn)矩方程可以表示為

由轉(zhuǎn)矩方程可以看見，電機(jī)的極對數(shù)np、電感Ls、轉(zhuǎn)子磁鏈Ψf都為設(shè)定值，不會(huì)發(fā)生改變。只有保持定子磁鏈幅值|Ψs|也為定值時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Te才會(huì)跟隨轉(zhuǎn)矩角δf按上述公式描述的關(guān)系成比例變化。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制的思想就是改變轉(zhuǎn)矩角，達(dá)到電機(jī)直接控制電磁轉(zhuǎn)矩的目的。

2 空間電壓矢量的選擇

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)依據(jù)電壓源逆變器提供的8個(gè)空間電壓矢量來補(bǔ)償，其中包括6個(gè)有效矢量和2個(gè)零矢量。

假設(shè)定子磁鏈Ψs位于第一扇區(qū)，并沿ωr逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。電壓矢量V2既增加磁鏈，也增大轉(zhuǎn)矩;同理，電壓矢量V5既減小磁鏈，也降低轉(zhuǎn)矩。利用電壓矢量V3雖增大轉(zhuǎn)矩但卻減小磁鏈，電壓矢量V6雖降低轉(zhuǎn)矩但卻增加磁鏈。當(dāng)定子磁鏈Ψs處于其他幾個(gè)區(qū)域時(shí)，按照此規(guī)律同樣也可以推出相似結(jié)果。

3 無磁鏈直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)定子磁鏈的直接測量十分困難，通常將采集得到的電壓電流經(jīng)過積分運(yùn)算后得到磁鏈信息。但由于定子電阻的存在，采樣過程中產(chǎn)生誤差，所以，定子磁鏈測量的準(zhǔn)確度不是很好，為了解決這類問題，該文提出了一種無磁鏈直接控制轉(zhuǎn)矩控制的方法，去掉了磁鏈閉環(huán)，讓系統(tǒng)的控制更加直接。

由轉(zhuǎn)矩的控制方程得

而

因此

又

通過公式可以得出，電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的交軸分量Ψsq成正比，而定子磁鏈交軸分量隨時(shí)間t的變化率又與空間電壓矢量的交軸分量μsq成正比。因此，控制空間電壓矢量的交軸分量就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，而不用像轉(zhuǎn)矩磁鏈雙閉環(huán)系統(tǒng)那樣，保持定子磁鏈幅值不變，控制轉(zhuǎn)矩角來控制轉(zhuǎn)矩。這就意味著理論上可以去除磁鏈閉環(huán)，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方便計(jì)算。

去除磁鏈閉環(huán)后，系統(tǒng)中只含有轉(zhuǎn)矩閉環(huán)。由于沒有磁鏈閉環(huán)，電機(jī)在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)定子磁鏈飽和的現(xiàn)象，會(huì)影響電機(jī)控制的準(zhǔn)確度，甚至導(dǎo)致電機(jī)速度超出規(guī)定范圍，產(chǎn)生危害。因此，無磁鏈閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需要加入限幅環(huán)節(jié)，對定子磁鏈超出幅值的狀況進(jìn)行限制。當(dāng)定子磁鏈超出限定幅值后，需要設(shè)計(jì)一種新的逆變器電壓矢量開關(guān)表，設(shè)計(jì)該表的目的在于在保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，快速降低定子磁鏈的幅值，使其保持在允許范圍內(nèi)，避免磁鏈飽和。需要注意的是，此處磁鏈幅值的作用是抑制定子磁鏈達(dá)到飽和程度，而非保持磁鏈幅值恒定不變。這樣的設(shè)計(jì)，既降低了系統(tǒng)對磁鏈幅值計(jì)算精度的要求，也保證了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 模糊優(yōu)化的設(shè)計(jì)

為了滿足對永磁同步電機(jī)的精準(zhǔn)控制，系統(tǒng)通常采用閉環(huán)控制，在轉(zhuǎn)速控制環(huán)中，負(fù)荷的突然變化會(huì)致使電機(jī)出現(xiàn)擾動(dòng)，如果只采用傳統(tǒng)PID控制，難以適應(yīng)電機(jī)在運(yùn)行過程的各個(gè)階段對系統(tǒng)參數(shù)的需求，而模糊控制對系統(tǒng)參數(shù)的依賴性弱，魯棒性強(qiáng)，可以在短暫時(shí)間內(nèi)對系統(tǒng)參數(shù)的變化進(jìn)行調(diào)整。因此，該文在轉(zhuǎn)速控制環(huán)處用模糊控制器來替代PID控制器，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

模糊控制器由4部分組成。1） 模糊化。它的主要作用是將模糊控制器的輸入量轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的模糊量。主要步驟如下：首先，將輸入量進(jìn)行模糊化處理;其次，把輸入量轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的模糊集合;最后，確定各輸入量的值和其相關(guān)的隸屬度函數(shù)。2） 知識(shí)庫。知識(shí)庫包括規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫兩部分，它們是根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)建立起來的，是模糊控制器的重要組成環(huán)節(jié)。3） 推理單元。主要用于推理判斷。4） 解模糊。把得到的模糊量轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂屏枯敵觥?/p>

在轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì)中，首先，把轉(zhuǎn)速誤差和誤差變化率作為控制量輸入控制器中進(jìn)行模糊化處理，然后，按照模糊規(guī)則語言進(jìn)行推理和判斷，將得到的模糊值進(jìn)行解模糊，最后，通過輸出的控制量控制電機(jī)運(yùn)行。

5 結(jié)語

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，在航空航天、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域都得到了有效應(yīng)用，不過，國內(nèi)的應(yīng)用較國外許多發(fā)達(dá)國家的應(yīng)用領(lǐng)域狹隘，使用也比較簡單。該文提出的永磁同步電機(jī)無磁鏈閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩模糊控制的設(shè)計(jì)方法，這種方法不是通過間接控制電機(jī)的電流和磁鏈來控制電磁轉(zhuǎn)矩，而是在去除磁鏈閉環(huán)的基礎(chǔ)上將電磁轉(zhuǎn)矩作為被控對象直接進(jìn)行控制，因此，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，控制效果良好，希望能為未來永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究提供一定的參考依據(jù)。

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