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一种新型的PMSM直接转矩控制

来源:一二三四网
第3 8卷 第8期 2 O l l 年8月 湖南大学学报(自然科学版) Vo1.38,NO.8 Aug.2 0 1 1 Journal of Hunan University(Natural Sciences) 文章编号:1674—2974(2011】08—0040—05 一种新型的PMSM直接转矩控制 周腊吾 ,石书琪 (湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082) 摘 要:针对传统永磁同步电动机直接转矩控制系统中存在定子磁链和电磁转矩脉动 的缺点,提出了一种改进方法,即用变参数P1速度控制器和模糊控制器分别替代传统直接 转矩控制系统中的PI速度调节器和滞环比较器,在此基础上重新建立了永磁同步电机直接 转矩控制新的控制框图.利用MATLAB仿真软件对传统永磁同步电机直接转矩控制和改 进后的直接转矩控制系统进行了仿真对比研究,实验结果表明,新系统有良好的动、静态性 能,减少了转矩和磁链的脉动,能满足控制系统快速响应的要求. 关键词:转矩控制;永磁同步电动机;变参数PI控制器;模糊控制器 中图分类号:TM351 文献标识码:A A New Direct Torque Control of PMSM ZHOU La—WUt,SHI Shu—qi (College of Electrical and Information Engineering。Hunan Univ,Changsha,Hunan 4 10082,China) Abstract:In order to overcome the shortcomings of the stator flux and torque ripple existing in the conventional direct torque contro1(DTC)system of permanent magnet synchronous motor(PMSM),this paper put forward an improved method using the variable parameter PI speed controller and fuzzy control— ler respectively to replace PI speed regulator and hysteresis comparator of the conventional DTC.On the basis of this。the new schematic of control strategy for PMSM DTC was rebuilt.The conventional PMSM DTC and the improved DTC system were simulated comparatively.The experiment results show that the improved system has good dynamic and static performance,less flux and torque ripple,and can meet the performance requirements of the control system"fast response. Key words:torque control;PMSM;variable parameter PI controller;fuzzy controller 由于稀土永磁材料的高剩磁密度、高矫顽力、高 磁能积和线性退磁曲线等特性使得制造出来的永磁 电机具有高功率因数、高效率、较宽的调速范围,从 交流调速技术,与矢量控制技术相比,它省掉了复杂 的矢量变换具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控 制结构简单等优点Ⅲ. 而在动力工程领域中得到了广泛应用.而DTC是 继矢量控制技术之后发展起来的一种新型高性能的 传统的直接转矩控制采用砰一砰控制,直接对永 磁同步电机的磁链和转矩进行两点式调节,使得转 收稿日期:2010-10-15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50907020) 作者简介:周腊吾(1965一),男,湖南浏阳人,湖南大学教授 十通讯联系人,E—mail:zhoulawu@hnu.edu.cn 第8期 周腊吾等:一种新型的PMSM直接转矩控制 41 矩的动态响应很快,但却有较大的定子磁链和电磁 转矩脉动.主要原因是因为转矩和磁链调节器一般 都采用滞环比较器,而滞环比较器必然有一定的环 宽,因此定子磁链和电磁转矩误差必然会在滞环比 较器的环宽内做微小波动,从而不可避免地造成了 转矩脉动.文献[2—4]阐述了模糊控制在永磁同步 电机控制中的应用,鉴于此,本文将模糊控制应用到 永磁同步电机直接转矩控制系统中,用模糊控制器 图1定子磁链的轨迹 Fig.1 The track of the stator flux 来代替滞环比较器,这样能使开关表的选择更优化, 从而可以减少转矩和磁链的脉动[5 ]. 永磁同步电机转矩和转速之间具有强烈的非线 性关系,采用传统的PI控制器难以达到令人满意的 控制效果.本文在文献[8—10]提出的一种变参数 PI控制的基础上对其进行改进,即通过引入正态非 线性函数能够根据速度误差的大小在线调节比例增 益和积分增益.将该变参数PI控制器替代传统直接 转矩控制系统中的速度调节环节中的PI控制器,实 验结果表明能使系统能达到很好的控制性能,具有 更快的响应速度. 1 PMSM直接转矩控制的基本原理 根据永磁同步电机的数学模型,在静止坐标下 电压方程和转矩方程为: U。一R。i。+ , (1) T。一K 。o sin (2) 式中: ,R。,i。,P, , 和 分别为电机的定 子电压、定子电阻、定子电流、微分算子、定子磁链、 转子磁链和磁通角.其中磁通角 为定子磁链和转 子磁链之间的夹角,称为磁通角.在控制过程中,为 了充分利用铁心,应保持定子磁链的幅值为额定值, 而转子磁链是由永磁体产生的,不能突变,因此要改 变转矩的大小,可以通过改变磁通角来实现. 忽略定子电阻将定子电压的方程变形为: r =J l dt. (3) 将方程离散化得: rb ( 2)一 (f1)+I。 dt. (4) J ll 式中:t , 为两个不同的时刻,定子磁链矢量的轨 迹将按式(4)所示的规律变化.这样,可以通过控制 定子电压空间矢量来控制定子磁链的幅值和旋转速 度,从而在保持磁通恒定的情况下改变磁通角 的 大小以达到改变转矩的目的,如图1所示. 传统的永磁同步电机的直接转矩控制系统的原 理框图如图2所示.其工作原理及控制过程如下:转 矩和磁链计算模块根据永磁同步电机定子电压和电 流计算出电机的电磁转矩和定子磁链值的幅值和位 置.速度PI控制器根据转速给定值和实际转速确定 转矩的给定值;转矩和磁链滞环比较器根据定子磁 链、转矩的计算值以及相应的给定值,得到磁链和转 矩的控制信号,这两个控制信号结合定子磁链当前 的位置信号再经过开关状态选择表可选择出电机所 需要的电压矢量,从而控制PWM逆变器的开关状 态,由于采用离散的两值滞环比较器,通常在转矩、 磁链误差很大或很小时易选择同一电压矢量,导致 系统转矩响应迟钝,且易造成转矩脉动增大.针对 以上缺点,本文对传统的PMSM DTC系统做了改 进,将变参数PI控制器和模糊控制器应用到直接转 矩控制中. 图2永磁同步电机直接转矩控制原理图 Fig.2 Principle diagram of permanent magnet synchronous motor direct torque control 2变参数PI控制器和模糊控制器 2.1变参数PI控制器设计 由于永磁同步电机是一个多变量、多输入输出 系统,而电压、频率、转矩和转速等变量之间存在着 相互影响,是强耦合的多变量系统,所以永磁同步电 42 湖南大学学报(自然科学版) 机模型是非线性的.在实际控制当中用常规线性PI 控制器实施控制难以达到很好的控制效果,尤其是 工作范围变化很大时,系统性能明显降低,常伴有噪 音,振荡等问题. 将变参数PI控制器取代原来速度控制环节中 的传统PI控制器.设计的变参数Pl控制器将K , Ki取为偏差P的函数,根据偏差的大小实时改变K 和Ki的值,K 随偏差信号e的增大而增大,随偏差 信号 的减小而减小.这样有利于加快响应速度,同 时保证有很好地稳定性;K 在偏差e较小时取较大 值,较大时则取较小值,这样有利于加快对小偏差的 反应速度,提高控制器对干扰的灵敏度,K ,K 的 变化曲线如图3和图4所示. 图3 K 的变化曲线 Fig.3 The change curve of Kp j ‘L 偏差e 图4 Ki的变化曲线 Fig.4 The change curve of K —Xp(__ ㈣ K。 1 ;exp c一 式中:K ,K。为增益系数; , 为均方值系数・ 一般取K1>0,K2>0, 1<1, <1, l,a2的值 越小正态函数曲线分布越集中,构造的K ,Kt越 精确. 将这种正态函数PI速度控制器替代原来速度 控制环节中的恒参数PI速度控制器应用到新型的 PMSM DTC系统中,能明显地改善系统的性能,使 系统具有响应速度快、动静态性能好和鲁棒性强等 优点. 2.2模糊控制器的设计 根据逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合, 可以得到6个非零电压矢量U (100),U2(110), U (010),【, (011),us(001)和U6(101)以及2个 零电压矢量【, (000),U (111);6个非零电压矢量 将整个空间矢量平面划分为6个扇区01,8z,8s, , 和 ,如图5所示.在每一个扇区内的磁通轨 迹由该扇区所对应的两个电压矢量来合成,例如在 扇区 中,可选择电压矢量U。或U 使得实际磁链 跟踪给定磁链. 图5定子磁链轨迹控制 Fig.5 The control of stator flux tra]ectory 用模糊控制器来代替传统直接转矩控制中的滞 环比较器,将转矩误差ATe、定子磁链误差△ 以及 定子磁链位置 作为模糊控制系统的输入变量,e 为系统偏差,偏差经过计算处理后作为模糊控制器 的输入,图6为模糊控制系统框图,虚线框内为模糊 控制器,模糊控制器首先对输入进行模糊处理,然后 根据预先制定的模糊推理规则进行模糊推理运算, 经过反模糊化之后,选择出电机所需要的最优电压 矢量,作为模糊控制器的输出,从而直接作用于被控 对象逆变器控制它的开关状态.模糊控制器主要主 图6 模糊控制系统框图 Fig.6 Schematic of fuzzy control 第8期 周腊吾等:一种新型的PMSM直接转矩控制 43 要由模糊化、知识库、模糊推理和反模糊化接口四部 分组成. Ⅳ z P一Ⅳ z P~N z P~Ⅳ z P 册 ~一 ~一 {2 一 船 3实验结果与分析 ~ 一 所设计的模糊控制器将转矩误差&Te在论域 [一O.9,0。91内定义3个模糊集合{N(负),Z(零), ~ 一  一一 在MATLAB/Simul玑ink环境下,建立永磁同步 玑仉~仉 ~ ~ 一 一 一 电机的直接转矩控制系统的仿真研究模型,分别对 P(正)};将磁链误差△ 在论域[一0.004,0.O04] 内定义4个模糊集合(bib(负大),NS(负小), PS(正tb),PB(正大)};定子磁链位置0在论域[O, 2 ]内定义6个模糊集合{ , , , ,良, ), 传统的直接转矩控制系统和基于改进后的直接转矩 ~ ~ ~ 控制系统进行仿真研究.电机参数如下:额定功率 ~ ~ ~ 玑~~  巩 一~ 仉一仉 ~ 玑 仉~玑 巩 ~ 仉~ 仉 仉 PN一2 000 W,极对数 。一2,额定转速7z= ~ ~ ~ 1 500 r/min,其中变参数PI控制器事先整定K = 仉 =;~一  ~仉 ~ ~仉 玑 玩 ~ 输出的电压矢量【, 定义8个模糊集合{【, ,【,。, 【, ,【,4,【, ,u ,【, ,【,。},选择输入量的隶属度 函数为三角形,根据传统直接转矩控制中开关状态 表各电压空间矢量对定子磁链和转矩的影响可设置 模糊规则表如表1所示.从而可根据模糊规则表选 择合理的电压矢量来控制逆变器,构建新的永磁同 步电机直接转矩控制系统如图7所示. 表1模糊规则表 Tab.1 Table of fuzzy ruler △ AT 巩 如 如 巩 魂 图7改进后系统控制框图 Fig.7 Schematic of control strategy for improved system 1.2,K2—1.5, 1—0.6, 2—0.8.进行如下实验 研究,系统以转速 =1 000 r/mi一~  n启动,给定负载 一~  ~一  转矩Te=10 N・m,在£一0.04 S时转速切换至 仉 仉~仉 仉一 =; =;一仉 仉 ~ ~ ~ =1 500 r/min;对该永磁同步电机分别作传统直接 仉 一玑 巩 ~ ~ 仉~仉 仉 ~ 转矩和改进的直接转矩控制仿真实验.图8(a)~图 ~ ~ 一 8(c)和图9(a)~图9(c)分别为仿真传统的和改进 2 —1 t/s (a)转速波形 百 毒 器 冬 斌 tls (c)定子A相电流波形 图8传统直接转矩控制仿真波形 Fig.8 Simulation waveIorm of traditiona1 direct torque control 44 湖南大学学报(自然科学版) 2011正 后的直接转矩控制系统所得到的转速曲线、转矩曲 线和定子A相电流的波形. 对比图8和图9中的波形可知,改进后的永磁 (卜口 . 耀擗 同步电机的直接转矩控制系统具有很好的动静态性 2 l 1 能,而且响应时间更短,转速响应曲线超调量明显减 O ∞ ∞ ∞ 0 O O O 小,转矩的脉动大大减小.电流波形也相比传统控制 系统的电流波形毛刺小些,说明改进后控制系统的 性能得到提升. |. f n0o 0.O2 0.04 0.o6 O.08 0.10 t/s (a)转速波形 t/S (b)转矩波形 蜷 tls (c)定子A相电流波形 图9改进后系统的仿真波形 Fig.9 Simulation waveform of improved system 4 结 论 在传统的PMSM DTC系统中,滞环控制以及 电机的强耦合、非线性特点会引起转矩脉动,电流畸 变和影响系统的动静态性能.本文提出了一种基于 模糊控制和变参数PI的直接转矩控制系统,与传统 的PMSMDTC进行了仿真实验对比.实验结果表 明:新型DTC系统减小了转矩脉动,改善了电流波 形的正弦度,同时改善了系统的动静态性能,使系统 具有响应速度快和鲁棒性强等特点.冒. 墩毒毒  参考文献 [1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M=].北京:机械工业出版社, 2000:3一10. 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