基于级联模糊控制的永磁同步电机直接转矩控制

2022-11-25张猛

组合机床与自动化加工技术 2022年11期

张猛

(镇江技师学院，镇江 212000)

0 引言

随着电力电子技术及电机控制理论的不断发展，永磁同步电机(permanent magnet synchronous motors，PMSM)因其高功率和高转矩的优势而广泛应用于电力驱动[1-2]。直接转矩控制(direct torque control，DTC)由于其结构简单、参数依赖性小、动态响应快等优点，被认为是获得永磁同步电机驱动系统高性能运行的最适用技术之一[3]。然而，传统的DTC方法存在切换频率可变、转矩大、磁通脉动等缺点[4-5]。因此，研究如何改善DTC的缺点并利用其优势对于PMSM的进一步推广应用至关重要。

传统的DTC方法通常基于逆变器的开关状态表使用两个磁滞调节器进行控制[6-7]。然而，由于在整个采样周期内选择固定的开关状态所产生的可变开关频率，在转矩和磁通中会产生较大的波动。现有较多学者提出改进技术来克服传统直接转矩控制的缺点。如BERZOY等[8]将基于空间矢量脉宽调制(space vector modulation，SVM)的直接转矩控制(SVM-DTC)技术与PI转矩控制器相结合，降低了转矩和磁链脉动。但在较宽的运行速度范围内固定PI控制器增益，可能导致DTC性能因可变转矩响应而降低。PATURCA等[9]指出自适应PI控制器可用于保持快速转矩响应，并在较宽的运行速度范围内实现较低的转矩和磁通波动。

近年来，有较多研究将预测控制技术用于控制力矩。针对传统直接转矩控制中采用迟滞调制的PI控制器，姬浩然[10]提出了基于SVPWM的模糊逻辑控制器(fuzzy logic controllers，FLC)，VAFAIE等[11]提出了无拍直接转矩和磁链控制系统，改善了永磁同步电动机的稳态和瞬态性能。程勇等[12]提出了基于模糊逻辑的自适应直接转矩控制器，以实现恒开关频率下的转矩脉动抑制。凌谢津等[13]提出了一种基于在线整定算法的模糊预测直接转矩控制(fuzzy model predictive direct torque control，FMP-DTC)，有效提高了永磁同步电机系统性能。NAIK 等[14]对传统的SVM- DTC和基于自适应模糊逻辑的控制器进行了比较。此外，较多文献指出使用自适应模糊控制器代替传统的具有固定控制器增益的PI控制器可以显著地降低转矩和电流脉动[15-16]。

基于上述研究技术，对基于PI和基于模糊逻辑的直接决策系统进行了比较分析，提出了一种基于级联模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制策略，实现了参数自适应调节，相比于传统控制，电机转矩和磁链的波动更小，性能更加平稳，更适合大范围调速的场合。

1 PMSM的动态模型

永磁同步电机(PMSM)的数学模型为：

(1)

定子磁链幅值和电磁转矩可分别估计为：

(2)

(3)

式中，φd=Ldid+Kf；φq=Lqiq。

由式(1)～式(3)可得定子磁链和转矩的微分表达式为：

(4)

(5)

2 PMSM的控制系统

首先给出PMSM驱动系统的级联模糊逻辑DTC控制器的框图，如图1所示。

图1 PMSM的直接转矩控制方案框图

该控制方案由电机转速ωr和转矩Te两个级联模糊控制器组成。转速控制器采用模糊自适应-PI控制器，输出力矩命令T*。转矩控制器采用模糊直接转矩控制方法控制电机的转矩和磁链。然后利用d-q变换，得到电压矢量V*，以及电压矢量的角度γ，用于生成空间矢量调制(SVM)模块Sabc的触发信号。最后将触发信号施加到电压源逆变器(VSI)上给永磁同步电机定子绕组施加电压，以获得所需的转速和转矩。

2.1 模糊自适应PI速度控制器

由于在不同工况下电机参数会发生变化，故采用PI控制器参数在线整定。所提的模糊自适应PI速度控制器框图如图2所示。

图2 模糊自适应PI速度控制器框图

图2中，模糊控制器的输入为速度误差和速度误差的变化。而模糊控制器的输出是PI控制器参数ΔKp和ΔKi的期望变化。

该技术的主要目的是改善电机转速在不同工况下的动态和稳态性能。通过调节PI控制器参数Kp和Ki，可以达到所要求的控制特性。为此，设计了模糊逻辑控制器来修改PI控制器的比例和积分参数。

根据图3所示的输入和输出隶属度函数，用仿真实验模糊逻辑工具箱进行模糊推理系统(FIS)建模。Mamdani-Type模糊推理用于指定模糊规则，其中每个if-then规则的输出是一个模糊集。每个子集由{PB,PM,PS,ZE,NS,NM,NB}组成。其中PB、PM、PS分别为正大、正中、正小的缩写；ZE是零(zero)的缩写；NS、NM、NB分别是负小、负中、负大的缩写。