基于模糊逻辑控制的永磁同步电动机SVM-DTC系统仿真

    严卫生，林海，丁明，张金锁

    (西北工业大学，陕西西安710072)

    摘要：针对传统的永磁同步电动机sVM—DTc系统_中采用的PI调节器对电机参数变化及外加干扰时鲁棒差等问题，在分析永磁同步电动机数学模型的基础上，提出了一种基于模糊控制的永磁同步电动机svM-DTc系统方案，设计了一种带分离积分项的自适应模糊控制器，并替换了传统的svM DTc系统中的转速PI控制器、转矩PI控制器和磁链H控制器，用MATLAB仿真软件建立了系统模型。仿真结果表明该系统设计正确，所设计的模糊控制器优于常规控制器，能有效减小系统磁链和转矩脉动，系统性能明显改善。

    关键词：永磁同步电动机；模糊逻辑控制；直接转矩控制；空间矢量调制

O引  言

    直接转矩控制(以下简称DTc)技术首先由德国学者M.Depenbrok和日本学者I．Takahashi提出。该策咯由于新颖的控制思想和优异的控制性能赢得了国内外众多学者和专家的关注。近年来，DTc的应用对象也由最初的异步交流电机逐渐延伸到其他电机中。在众多不同类型电机中，永磁同步电动机(以下简称PMsM)由于结构简单、运行可靠和效率高等优势越来越受到人们的关注，已经有学者将DTc应用于PMsM之中。具体控制策略如图1所示。

虽然DTc策略有很多优点，但传统的直接转矩控制技术应用于永磁同步电动机中，仍然有一些问题需要解决，而磁链和转矩脉动问题是研究的一个重点。图1中，控制系统中采用的bang-bang控制容差大小对系统性能影响很大。固定容差使得系统磁链和转矩总是处在上升或下降的状态，这直接导致磁链和转矩的脉动；电机在运行过程中，随着温度和频率的升高，电机定子电阻也随之改变，这使得电机转矩和磁链估测不准，也导致了电机转矩和磁链脉动。国内外很多学者都为此作出了很多的工作，在电机控制研究领域中这也成为了研究热点之一。

    在众多改进技术中，空间矢量调制(sVM)技术的应用成为了较好的改进方案之一，sVM技术使用相邻的两个工作电压矢量及零电压矢量合成出任意的参考电压矢量，而参考电压矢量可以通过两个PI控制器来调整定子磁链幅值和转矩获得。但是由于PI调节器的设计要依赖于研究对象精确的数学抽象，当电机参数变化或有外来干扰时，控制器参数不能在线调整，降低了系统的控制性能。

    为此，本文提出一种基于模糊控制器的sVM-DTc方案。设计的一种带分离积分项的自适应模糊控制器，将该控制器分别替代原有系统中的速度PI控制器、转矩PI控制器和磁链PI控制器，以进一步改善系统的控制性能。仿真结果表明该模糊控制器减小了原系统转矩脉动和磁链脉动，实现速度的精确控制，较原系统中的PI控制器性能更优，鲁棒性更强。

1 PMSM数学模型

    以两相导通星型三相六状态为例，分析PMSM的数学模型及转矩特型。为了方便分析，先做以下假设：

    (1)三相绕组完全对称，气隙磁场为正弦分布，定子电流、转子磁场分布对称；

    (2)忽略磁槽、换相过程和电枢反应等的影响；

    (3)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；

    (4)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗；

(5)驱动二极管和续流二极管为理想元件。

则可以得到PMSM在转子同步旋转坐标系d_q轴系下的数学模型：

式中：Ψ_d、Ψ_q，i_d、i_q，V_d、Vq分别为定子磁链、定子电流和定子电压在d、q轴分量；Ld、Lq为定子绕组d、q、轴等效电感；Ψ_f为转子磁链；Rs为定子绕组电阻；p为电机极对数；ω_r为转子机械角速度，ω=n_pω_r,ω为转子电角速度；T_e为电磁转矩；TL为负载转矩；B为阻尼系数；，为电机转动惯量。

2模糊SVM—DTC系统

    基于模糊控制器的永磁同步电动机sVM-DTc系统原理框图如图l所示。系统采用双闭环控制方式，参考转速与实际转速的误差经模糊控制器输出参考转矩，参考转矩、参考磁链分别与估测转矩、估测磁链的误差经两个模糊控制器生成参考电压V_d和V_q,经过坐标变换后，控制空间矢量脉宽调制(以下简称svM)生成三相电压源逆变器驱动脉冲，进而驱动永磁同步电动机。

    系统中的三