1 引言
直接轉(zhuǎn)矩控制方法是1985年由德國(guó)魯爾大學(xué)的depenbrock教授首次提出來(lái)的，它是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一種新型的交流調(diào)速技術(shù)。在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方案中，它以系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩誤差、磁鏈誤差以及定子磁鏈的位置為參考量，通過(guò)合理的選擇逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，不需要與直流電動(dòng)機(jī)做比較、等效、轉(zhuǎn)化等，因此其避開(kāi)了復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和計(jì)算。直接轉(zhuǎn)矩控制以定子磁場(chǎng)定向，只需要電動(dòng)機(jī)的定子參數(shù)，從而減少了參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，其目前已經(jīng)成為交流傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)[1]。
2 直接轉(zhuǎn)矩控制方案中的一些問(wèn)題
直接轉(zhuǎn)矩控制方案本身也有一些問(wèn)題需要引起足夠的重視:
(1) 直接轉(zhuǎn)矩控制由于沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的電流環(huán)，在剛開(kāi)始起動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)矩和磁鏈同時(shí)增加的情況下，易引起過(guò)電流，從而使起動(dòng)失敗;
(2) 直接轉(zhuǎn)矩控制由于采用滯環(huán)控制，其控制方案本身會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩的磁鏈紋波[2][3]。
在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方案中，一般采用在一個(gè)周期內(nèi)只施加一種電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)的方法[3]，這常常使得在一個(gè)周期循環(huán)的早期，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩就已經(jīng)超過(guò)了其參考值，而在接下來(lái)的開(kāi)關(guān)周期中通過(guò)施加零矢量，以將其電磁轉(zhuǎn)矩減少到參考值。這常常會(huì)帶來(lái)較高的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?？刻岣吖β势骷_(kāi)關(guān)頻率或者改變逆變器本身的拓樸結(jié)構(gòu)(多電平)的方法，能減少轉(zhuǎn)矩和磁鏈紋波，但其開(kāi)關(guān)頻率的提高受到微處理器及器件本身開(kāi)關(guān)頻率的限制，增加了器件本身的開(kāi)關(guān)損耗，而多電平的方法又增加了控制電路的復(fù)雜性和提高了控制成本。
在直接轉(zhuǎn)矩控制方案是，所選擇的電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響，不但取決于所選擇的電壓狀態(tài)，而且還和電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)有關(guān)(電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值)[3]。如當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高速或中速重載時(shí)，那些使電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增加的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)際上只帶來(lái)較少的轉(zhuǎn)矩增加量，而那些被認(rèn)為能維持電動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)矩不變的零狀態(tài)，實(shí)際上卻使當(dāng)前的電磁轉(zhuǎn)矩減少，而那些使電磁轉(zhuǎn)矩下降的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，會(huì)引起電磁轉(zhuǎn)矩更大的下降[3]，因此要想獲得高性能的直接轉(zhuǎn)矩控制，就不得不考慮電動(dòng)機(jī)當(dāng)前所處的工作狀態(tài)。由此我們考慮，如果將所選擇的有效的電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)與零電壓之間進(jìn)行調(diào)制，首先將所選擇的有效的電壓狀態(tài)施加到逆變器上足夠長(zhǎng)的時(shí)間以達(dá)到參考轉(zhuǎn)矩和磁鏈的值，而在剩余的開(kāi)關(guān)周期時(shí)間里，選擇一個(gè)零電壓矢量，以使轉(zhuǎn)矩和磁鏈幅值基本維持不變，那么，在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，通過(guò)在[0～1]之間改變其占空比σ，就可以向電動(dòng)機(jī)施加任何電壓[4]。
在每一個(gè)采樣周期中的最合適的占空比σ，是電磁轉(zhuǎn)矩誤差、定子磁鏈位置和由電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)決定的一個(gè)非線性函數(shù)。很顯然，要對(duì)這么一個(gè)函數(shù)(表達(dá)式)建模將非常困難，因?yàn)閷?duì)每一個(gè)工作點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其均為不同的非線性函數(shù)，而模糊邏輯在處理非線性函數(shù)時(shí)，有自己特有的優(yōu)勢(shì)，因此，通過(guò)使用一個(gè)基于模糊邏輯的占空比控制器，就可以得到每一個(gè)采樣周期的優(yōu)化占空比。
3 模糊邏輯直接轉(zhuǎn)矩控制
3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理
異步電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以有多種表示方法，其中的一種是[5]:
(1)
電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度即定子磁通的大小，直接取決于由下式所決定的定子電壓的大小:
(2)
由電動(dòng)機(jī)的等效電路可以知道，轉(zhuǎn)子磁通矢量對(duì)于定子電壓的反應(yīng)與定子磁通相比有點(diǎn)緩慢。而且，由于漏電感的低通濾波作用，轉(zhuǎn)子磁通波形也要比定子磁通平滑。由此可以看到，通過(guò)選擇合適的電壓矢量，控制定子磁鏈的走走停停，就可以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈λs和轉(zhuǎn)矩角θsr的大小，從而達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制。
在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中，其控制方式采用bang－bang控制，由轉(zhuǎn)矩滯環(huán)、磁鏈滯環(huán)產(chǎn)生的誤差信號(hào)以及電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈所在的扇區(qū)來(lái)決定對(duì)逆變器所施加的電壓狀態(tài)，從而達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制的目的。其定子磁鏈分區(qū)和相應(yīng)的逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇表如圖1和表1所示[6]:從中可以看出在每一扇區(qū)只有四個(gè)電壓矢量可用，在第一扇區(qū)各電壓矢量作用如圖1所示，圖1中，fi:磁鏈增加;fd:磁鏈下降;ti:轉(zhuǎn)矩增加;td:轉(zhuǎn)矩減少，如在一扇區(qū)v2使磁鏈和轉(zhuǎn)矩都增加，而v5使磁鏈和轉(zhuǎn)矩都下降，v1、v4棄用，因其對(duì)轉(zhuǎn)矩作用模糊。
圖1 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩分區(qū)與相應(yīng)電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的影響
表1 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇表
3.2 模糊直接轉(zhuǎn)矩控制原理
模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是模糊邏輯占空比控制器與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)合，其由傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制首先選擇出所需施加的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，然后再與相應(yīng)的零電壓矢量進(jìn)行調(diào)制，其占空比由模糊邏輯占空比控制器給出。其唯一不同的是:在模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)采用二值而不是三值，也就是在不考慮零狀態(tài)的情況下，傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制逆變器開(kāi)關(guān)表中只用到其中的四列。其原理框圖如圖2所示:其中虛線框內(nèi)為模糊邏輯控制部分(bλ、bt分別為磁鏈滯環(huán)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的輸出信號(hào)，所在扇區(qū)由定子磁鏈所處的位置確定)。
圖2 模糊邏輯直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖
(1) 模糊邏輯占空比控制器結(jié)構(gòu)
模糊邏輯占空比控制器有兩部分組成，模糊邏輯控制器一給出每一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)在第一個(gè)初始時(shí)間的占空比σ，模糊邏輯控制器二是一個(gè)自適應(yīng)占空比控制器，其輸出為占空比的增量δσ，只要所選擇的電壓狀態(tài)未變，考慮到上一個(gè)采樣周期給出的占空比所帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩的變化量可能會(huì)預(yù)測(cè)到下一個(gè)采樣周期占空比的增量，以減少轉(zhuǎn)矩誤差，因此建立了此自適應(yīng)模糊邏輯控制器二。
模糊邏輯控制器一、二結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 模糊邏輯控制器一、二結(jié)構(gòu)圖
(2) 模糊控制器各輸入量及其隸屬度函數(shù)
模糊邏輯控制器一有3個(gè)輸入量:
定子磁鏈位置(每一扇區(qū)內(nèi))在其論域內(nèi)定義3個(gè)模糊子集，隸屬度函數(shù)分布如圖4和5所示。圖中，n-vl:負(fù)極大; n-l:負(fù)大; n-m:負(fù)中; n-s:負(fù)小; z:零; s:正小;m:正中; l:正大; vl:正極大。
圖4 磁鏈位置模糊子集 圖5 轉(zhuǎn)矩誤差模糊子集
轉(zhuǎn)矩誤差在其論域內(nèi)定義了6個(gè)模糊子集，其隸屬度函數(shù)分布如圖5所示:“tei”的值如下:te1=5%tn, te2=10%tn, te3=20%tn.這里tn是轉(zhuǎn)矩的額定值。
電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的不同而不斷的轉(zhuǎn)移，這里我們以ωpc=tpc為界將其劃分為3個(gè)不同的區(qū)域:ωpc為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比，tpc為電動(dòng)機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，二者均以百化數(shù)的形式表示，并各自在其論域內(nèi)定義了3個(gè)模糊子集。其隸屬度函數(shù)分布所圖6和7所示。其“ωti”的值如下:ωt1=120，ωt2=200，ωt3=275，ωt4=100，ωt5=185，ωt6=27。
圖6 電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)模糊子集ωpc<tpc
圖7 電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)模糊子集ωpc>tpc
其輸出占空比在其論域定義了五個(gè)模糊子集，為簡(jiǎn)化計(jì)算，并考慮工程實(shí)際，我們將其占空比定義為模糊單點(diǎn)集，如圖8、圖9所示。其“dci”的值如下:dc1=0.15，dc2= 0.5，dc3=0.75 。
圖8 模糊控制器一輸出占空比模糊子集
圖9 模糊控制二輸出占空比增量模糊子集
模糊邏輯控制器二有2個(gè)輸入量，其分別為前次轉(zhuǎn)矩誤差與前一次的轉(zhuǎn)矩誤差增量，其分別在各自的論域中定義了7個(gè)和6個(gè)模糊子集，其隸屬度函數(shù)如圖10所示，“tei”的值在兩種情況之下均定義c:te1=1%tn，te2=5%tn，te3=10%tn，tn是轉(zhuǎn)矩的標(biāo)定值。
圖10 模糊控制器二兩輸入量，左前次轉(zhuǎn)矩誤差，右前次轉(zhuǎn)矩誤差增量
其輸出占空比增量δδ在其論域定義了9個(gè)模糊子集，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們?nèi)匀粚⑵涠x為單點(diǎn)集，“δσi”的各數(shù)值如下:δσ1=0.08，δσ2=0.15，δσ3=0.35 ,δσ4=0.5。
(3) 模糊控制推理規(guī)則及反模糊化方法
模糊控制規(guī)則依據(jù)各模糊控制器的輸入量，采用if —then語(yǔ)句，各輸入量之間的關(guān)系取與“and”，模糊推理采用mamdani推理法，解模糊采用重心法。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11所示。
圖11 模糊控制器一內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
模糊邏輯控制器一包括4組規(guī)則，每一組又包括46條規(guī)則，其中的兩組用于當(dāng)定子磁鏈的小于其參考值的情況(磁鏈上升)，另外兩組用于其相反的情形(磁鏈下降)。雖然其中的兩組對(duì)應(yīng)于一種情形，但在任何一種情況之下，每一個(gè)周期只用到其中的一組，而這取決于電動(dòng)機(jī)所得的工作點(diǎn):fi:磁鏈上升; fd:磁鏈下降。
這里只給出其中的一組模糊控制規(guī)則表，如表2所示。其對(duì)應(yīng)于磁鏈上升(fi=1)，且ωpc<tpc時(shí)的工作情況。
表2 模糊控制器一推理規(guī)則表:fi=1;ωpc<tpc
模糊控制器二由37條規(guī)則所組成，其控制規(guī)則表如表3所示。
表3 模糊控制器二推理規(guī)則表
4 模糊邏輯直接轉(zhuǎn)矩控制的工程實(shí)現(xiàn)
基于上述模糊直接轉(zhuǎn)矩控制原理，我們構(gòu)建了一個(gè)樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，其原理結(jié)構(gòu)如圖12所示。其為一個(gè)雙微處理器結(jié)構(gòu)。數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)tms320lf2407a是一個(gè)從處理器，它執(zhí)行控制算法的大部分程序。模擬信號(hào)經(jīng)處理后送入dsp內(nèi)部的adc模塊，其采樣頻率為50khz。為方便dsp與驅(qū)動(dòng)電路之間進(jìn)行通訊，我們?cè)O(shè)立了一個(gè)32位的ttl輸入/輸出接口。
圖12 樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖
pc機(jī)是一個(gè)主處理器，它同樣執(zhí)行程序代碼。它允許修改和編輯dsp和pc機(jī)程序，監(jiān)視dsp運(yùn)行狀態(tài)，并可以通過(guò)dram和isa總線與dsp進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將參考值和結(jié)果以ascii格式保存到它的內(nèi)存中。
直流發(fā)電機(jī)在這里做為一個(gè)負(fù)載使用，其負(fù)載的變化可以通過(guò)外接電阻值來(lái)方便的改變，試驗(yàn)所用的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)主要數(shù)據(jù)如下:
pn=1kw， f=50hz， vn=380v， in=2.8a，
rs=7.13ω， rr=8.18ω， lδ=0.301mh，
lm=0.6040h，j=1.2kg.m2，p=2，te=6.7n.m2。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
以樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，將保存在計(jì)算機(jī)內(nèi)存當(dāng)中的ascii文件輸出，得到如圖13、14、15和16的試驗(yàn)波形，從中可以看出，其電流波形較好，電流諧波分量較小，磁通較接接近圓形，轉(zhuǎn)速超調(diào)量不大，且很快可以達(dá)到穩(wěn)定。
6 結(jié)束語(yǔ)
直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制之后在交流傳動(dòng)控制理論上的又一次飛躍，它避免了對(duì)電機(jī)參數(shù)的強(qiáng)烈依賴(lài)性，魯棒性很好，同時(shí)又可達(dá)到很高的動(dòng)態(tài)性能。采用模糊控制與傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合的模糊邏輯直接轉(zhuǎn)矩控制，能夠比較有效的減少由原方案帶來(lái)的諧波，提高了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。同時(shí)，它改變了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩在一個(gè)周期內(nèi)只施加一種開(kāi)關(guān)電壓矢量的方法，避免了在采樣周期初期就出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩或磁鏈超調(diào)的情況，減少了不必要的開(kāi)關(guān)損耗，提高了電能的利用效率。
圖13 樣機(jī)電流波形 圖14 樣機(jī)磁鏈軌跡
圖15 樣機(jī)線電壓波形vab 圖16 樣機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
|
|
|
|
|
|
|
|