基于神经网络模糊控制的永磁同步电动机直接转矩控制

    乔维德

(常州市广播电视大学，江苏常州213001)

    摘要：针对刃(磁同步电动机的直接转矩控制(DTC)存在较大转矩脉动的特点，提出了基于神经网络与模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制策略，用训练好的神经网络建立定子磁链观测器，将模糊控制算法引入逆变器状态开关选择器，通过对转矩误差、定子磁链误差和磁链位置角的模糊分级来实现逆变器开关的分级控制。仿真及实验结果表明，与常规DTC相比，该控制方法转矩、转速、磁链响应速度快、响应脉动小，具有良好的稳态跟踪性能和优异的动态响应，适合工程实际应用。

    关键词：水磁同步电动机；神经网络；模糊逻辑；直接转矩控制(DTC)

    中图分类号：TM341；TP273⁺．3  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)08—0036—04

0引言

    直接转矩控制(以下简称DTC)是继矢量控制技术之后发展起来的又一种高性能的交流变频调速技术，该控制方法摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思想，应用空间电压矢量的分析方法，直接在定子坐标下计算并控制电机的转矩和磁通，采取定子磁链定向，借助离散的两点式调节(Ban d—Ban d)产生PWM信号，从而直接对逆变器的开关状态进行****控制，以获得转矩的优良动态性能。它省去了矢量控制中复杂的空间坐标变换，具有控制结构简单、转矩响应迅速、对转子参数不敏感等优点。

    目前DTC已成功应用于异步电动机，近年来一些学者开始致力于该控制方式在同步电动机上的拓展，初步实现了永磁同步电动机(以下简称PMSM)的直接转矩控制。但在PMSM中由于转子永磁磁通的始终存在，使用零电压矢量尽管能控制定子磁链观测器走走停停，却无法控制转矩瞬间减小，因此只能使用反电压矢量来实现，而反电压矢量的应用又往往使PMSM在转矩响应加快的同时，会引起磁链和转矩的剧烈变化，从而影响DTC的稳态性能^[1]。为了抑制转矩脉动，有效提高PMSM直接转矩系统的动、静态性能，本文提出基于神经网络和模糊逻辑的PMSM DTC策略，即利用神经网络构造定子磁链观测器，应用模糊逻辑推理设计逆变器状态开关选择器，从而使PMSM DTC系统获得较强的鲁棒性和优良的动态性能，文中对此进行了仿真分析和验证。

1 PMSM DTC控制理论

    图1为永磁同步电动机定、转子磁链的空间矢量图。Ψ_r为转子磁链空间矢量，由于转子是永磁体，Ψ_r为一常量；Ψ_s是定子磁链空间矢量，Ψ_r与Ψ_s夹角称为功角δ。当定、转子磁极轴线 

重合时，功角δ为O^。或180^。，两磁极系统处于稳定或不稳定平衡状态。功角δ=O^。时只存在平衡磁拉力，而不存在任何转动趋势；功角δ=180^。时处于不稳定平衡状态，稍微加一扰动便立即恢复到功角δ=O^。的状态，所以在以上两种状态下，电机均不能旋转。只有保持功角δ≠0^。时，电机才能连续旋转。

    由电磁学原理得出，PMSM输出电磁转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值以及定、转子磁链的夹角(功角)δ的正弦成正比。实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以充分利用电动机铁心；PMSM转子磁链幅值通常取恒值，要改变电动机转矩的大小，可以通过改变定、转子磁链的夹角(功角)δ的大小来实现。而同步电机转子磁极同转子一起旋转，不容易控制，所以DTc通过选择不同的定子电压矢量调节定子磁链旋转速度与方向，就可以瞬时改变功角δ，得到快速的转矩响应，从而实现转矩的动态控制，这正是PMSM DTc的基本思想^[2,3]。DTc较采用通用变频器的矢量控制方式相比，不需要依据或输入准确的同步电机参数，它把转矩直接作为被控量，不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是对转矩进行直接控制，因此大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，既直接又简化。

2 PMsM神经网络模糊DTc系统

2.1控制系统结构

    PMSM神经网络模糊DTc系统结构如图2所示。图2中，ω为给定角速度，ω为实际转子角速度；T_e为给定电磁转矩，T_e为实际电磁转矩；Ψ_s为给定定子磁链，Ψ_sα、Ψ_sβ为定子磁链在α-β坐标中的分量；u_sα