开关磁阻电机直接转矩模糊PI控制器设计

010 0 电气传动 2010年 第41期 开关磁阻电机直接转矩模糊 勉华，梁媛媛 (西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安710054) 摘要：针对模糊控制存在静差的缺点，提出了模糊速度误差及 速度误差变化为系统外环输入，大偏差时采用模糊控制，小偏差时采用环的输出变量为内环的目 标转矩，送入60 结构的开关磁阻电机直接转矩调速系统内环。仿真结果表明，这种复合控制方 法解决了常规控制方法因电机数学模型难以精确确定而无法确定控制参数的问题，并克服了模糊控制存在 静差、无抗干扰能力的缺点，很好地解决了系统上升时间与超调的矛盾。 关键词：开关磁阻电机；直接转矩控制；模糊控制；模糊一比例积分控制 中图分类号：献标识码：A I iXin 710054，is in o a of I of he of I is to he is is of to 0 kW 4 or it is I is ly，it of in of is he a I 引言 开关磁阻电机调速系统融新型电动机结构与 现代电力电子技术、控制技术于一体，兼有交流变 频调速系统的电动机结构简单、坚固耐用的特点和 直流调速系统的调速性能好、控制电路简单、高效 的特点，是一种性价比较高的无级调速系统。 但是由于开关磁阻电机具有严重的非线性及 变结构、变参数等特点，常规固定参数的以获得理想的控制性能指标，并且控制参数由 于没有精确的数学模型而难以确定。 模糊控制是目前工程领域应用较多的一种智 能控制方法，它把人的手动控制经验转化为控制 策略，它不需要建立被控对象的精确数学模型，而 且动态品质优于常规的控制方法1。 但是双输人单输出的模糊控制器实质上是一 个态性能不好，存在静差，为了克 服这个问题，本文提出模糊 入积分作用克服静差。仿真结果表明，这种复合 控制方法优于常规单一的模糊调节器或者器。 2 开关磁阻电机工作原理 三相(64)结构开关磁阻电机定转子为双凸 极结构，转子无绕组，也无永磁体，定子极上有集 中绕组，对应磁极的绕组相互串联，形成A，B，C 基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目(09作者简介：王勉华(1953一)，男，硕士，教授，631 电气传动 2010年 第41期 王勉华，等：开关磁阻电机直接转矩模糊相绕组。当某相绕组通电时，就产生一个使邻 近转子极与该绕组轴线相重合的电磁转矩，顺序 对三相绕组通电，则转子可以连续转动，改变通电 次序，可改变电机的转向，控制通电电流的大小和 通断时间，可改变电机的转矩和速度。 3模糊关磁阻电机调速系统由控制器、功率变换 器和文中控制器采用双 闭环控制(如图1所示)，外环是速度环，内环是转 矩环，其中速度环的作用是对速度进行调节，得到 转矩内环的参考转矩。转矩内环对转矩误差、磁 链误差和区间信号应用直接转矩控制原理进行功 率变换器的开关选择选择的开关信号用于控 制功率变换器中开关元件的通断，为电机各相提 供能量。 图1开关磁阻电机系统结构图 模糊糊了积分的作用，其结构框图如图2所示，系统的 输入是给定速度与检测速度的误差e=V 一 及 其误差变化如，系统的输出是转矩内环的参考转 矩，由此构成双输入一单输出的二维模糊控制器。 由于输入量在进行模糊化时，模糊控制器会把某 些小的误差看作“零”，所以出现控制盲区，难以达 到较高的控制精度，系统有静差。所以本系统在 52 图2模糊一 I of 度误差小的时候切换到常规模糊控 制盲区进行控制，并为系统加入积分作用。两种 控制方式的切换时刻依速度误差的大小而定。 41精确量的模糊化与反模糊化 本文的调速目标是要电机转速稳定在800 r以速度误差及速度误差变化的基本论域 均取为一800，8根据开关磁阻电机特性，参 考转矩的基本论域取一200，200。输入(E、 输出(u)的模糊论域均取为一6，61。所以 比例因子分别为：k =6800，忌 一6800，k 一 2006。模糊及反模糊化公式为 -E=忌 +05) Ceck +05) (1) l l“一Uk 为了简单起见，隶属度函数均取三角函数，语 言变量的模糊子集为“大)，中)， 小)，)，小)，中)，正大)”。 42模糊控制规则 根据人工操作经验，控制规则可以用语言表 示如下。 1)如果电机转速高于800 r么应该减 少参考转矩。若转速高出的越多，则参考转矩减 少的也越多。 2)如果电机转速等于800 r参考转矩 保持不变。 3)如果电机转速低于800 r么应该增 加参考转矩。若转速低下去的越多，则参考转矩 增加的也越多。 把这些语言控制规则用表1表示出来。 表1模糊控制规则表 B S S B B B M NS M B M NS S B M NS S E M NS s B B Ns S B M NB s B B PB S PM B PB 表1中，每一行和每一列的交叉点都是一 条模糊规则“i j，其中A ， 王勉华，等：开关磁阻电机直接转矩模糊气传动 2010年 第41期 43模糊推理与模糊判决 模糊推理采用出信息 的模糊判决采用“重心法”，也即“加权平均法”： n 【， c(一 一 (2) c(【， ) l=1 式中：U 是模糊输出的一个语言变量； c(U )是 L， 对应的隶属度。 为了满足实际控制过程中快速性的要求，一 般采用离线计算方式 ，把输入数据离散化，模糊 推理、合成、判决等进行离线计算，把模糊判决的 结果统计成表2，供实时处理时查表使用。 表2模糊控制决策表 65 4321 0 1 2 3 4 5 6 6 666666654321 0 5 666665554321 0 1 4 66 66654321 0 1 2 3 66 65554321 0 1 2 3 2 666521 0 1 2 3 4 1 65554321 0 1 2 3 4 5 O 65 432一l O l 2 3 4 5 6 1 645321 0 l 2 3 4 5 55 6 2 64 2一l 0 1 2 3 4 5 6 6 6 3 6351 0 1 2 3 4 5 55 6 6 6 4 63 0 1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 5 l 2 3 4 5 55 6 6 6 6 6 6 0 1 2 3 4 5 6 6 6 6 6 6 6 以C=1为例说明表2中离散计算处 理的过程。 1)由，别只属于两个语言变量，隶属度分别为： ()一05， 一5)一05， =05， ,O5。对于其它语言变量的隶属度 均为零。 2)由控制规则表1可以看出，当于两个语言变量时，只有4条语言规则起作用： CZE。M CPS。f ECZEf ECPS)使用出输 出量对各语言变量的隶属度： 14)一一5)，,C：1) 一05 ,，26)一一5)， 一05 36)一2一5)，,C=1) 一05 ()=, 一05 4)由式(2)得出输出量的模糊值： r ： ： ：曼 05+05+05+05 55 至此完成一次计算。依此方法，可以离线计 算出表2中的所有数据4。 44模糊输入精确量的模糊化公式(1)中可以看出， 当误差Eek +05)一0时，有l ek l 05，即e67。可见，当速度误差为67 r模糊控制器将认为偏差为零，不再对其进行调节， 会造成系统大的稳态误差。所以，设想把模糊控 制与挥模糊控制与自的长处，取长补短。 模糊开 关速度误 差大于67 r过制方法进行控制，起作 用；当速度误差小于67 r过下面的样既对控制的 盲区进行了控制，也为系统加入了积分作用，消除 了系统稳态误差，而且切换开关延迟了积分作用， 有效减少了系统的动态超调量。 堋一。 1 叼 。 g、 Un l 一 L 一 E 图3模糊 I in 3 电气传动 2010年 第41期 王勉华，等：开关磁阻电机直接转矩模糊仿真结果及分析 6O 结构的开关磁阻电机，给定 转速800 r机稳速运行时，于04 为12 N于075 要求电机的速度能一直稳定在800 r了 与其它的速度控制器进行比较，仿真时速度控制 器分别采用了糊控制与模糊制方法，速度响应曲线如图4所示。局部速度 响应曲线如图5所示。 鲁 制 图4速度响应曲线 5局部速度响应曲线 经过计算得到各控制方法的动静态性能指标 如表3所示。 表3各控制方法的性能指标 of 目 糊糊 02 01 007 口 273 84 P r 0 67 从图4及表3中可以看出，模糊好的抗干扰能力，稳态无静差。解决了单一调 节器调节时间与超调的矛盾，动静态性能均优于 单一的调节器。 这个调速系统的内环采用直接转矩控制原理 对转矩进行直接控制，给定磁链为036 统 的输出转矩曲线如图6所示，转矩脉动仅为1 Nm，有效地减少了系统的转矩脉动。(由于4 的摩擦系数是002 Nms，所以输出转矩应该大 于负载转矩0028002 760=167 Nm。) ；2 争 2 螽 辩4 0 04 06 08 l 矩曲线 结论 模糊控制把人们的控制经验转化控制策略， 使用语言方法，可以不需要掌握精确的数学模型， 并且动态响应品质优于常规的关磁 阻电机是个非线性的系统，电机模型很难精确地 确定出来，所以采用模糊控制是个很好的选择。 但是模糊控制在控制策略上存在一个很大的弊端 就是稳态有静差，对于恒值系统的内外部干扰基 本无抵抗能力。所以本文采用模糊两 种控制结合起来，在速度误差大的时候采用模糊 控制，在速度误差小的时候采用好地 解决了响应时间与超调的矛盾，系统动静态性能 良好，并且保证了系统的抗干扰能力。 参考文献 沛霖，肖蕙蕙动系统中的应用J中小电机，2004，31(4)：3235 J002