基于模糊控制的直接转矩控制仿真与研究_-.doc

最优控制与智能控制基础文献总结报告1 研究背景及意义电动机是电能向机械能展缓的能量载体。在工业、农业、交通运输、国防科技日常生活中广泛应用电动机进行电气传动。电气传动技术分为直流电气传动和交流电气传动两大类。长期以来，由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能都比较理想，直流电气传动一直在电气调速系统中占有主导地位。然而，由于直流电动机本身结构上存在的机械换向器和电刷，是它具有一些难以客服的缺点，如成本高、制造工艺复杂、维护麻烦、寿命短、使用受环境限制等，使其很难向大容量、高点也、高转速方向发展。交流电动机以其结构简单、价格低廉容易制造、运行可靠可以以更高的转速运转、环境适应性强等优点得到了广泛的运用，但交流电动机是一个非线性、多变量、强耦合的控制对象，调速复杂，实现高精度控制比较困难。近代以来产生了各种各样的交流电动机调速系统，主要有：降电压调速、电磁转差离合器调速、绕线转子异步电动机转子串电阻调速、绕线转子异步电动机串级调速、变极对数调速、变频调速1。在20世纪30年代，变频调速就己经被认为是交流异步电动机的一种较好的调速方法，但由于当时硬件设备条件的限制，变频调速技术没有得到大规模的应用。60年代，随着控制技术和电力电子技术的飞速发展，变频调速装置研制成功，交流调速技术重新受到人们的重视，成为电动机调速的发展方向。90年代以来，随着新型电力电子器件的产生、微电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论和智能控制理论在电机控制技术中的应用，交流调速技术取得了突飞猛进的发展，其调速性能可以和直流调速技术性能相媲美，并且已经逐步取代直流调速技术。交流电动机的调速技术从诞生至今先后出现了四种主要的调速控制系统：V/F=C(常数)控制，转差频率控制，矢量控制（也称为磁场定向控制）和直接转矩控制2。直接转矩控制（Direct Torque Control ,DTC）方法是在1985年由德国鲁尔大学的Depenbrock教授首次提出的，它是继矢量控制技术之后发展起来的一种交流变频调速技术。尽管矢量控制在理论上可以达到很高的控制性能，但在实际上，由于转子磁链难以准确观测，系统性能受电动机参数的影响较大，再加上矢量控制中复杂的矢量变换，都使矢量控制的实际控制效果难以达到理论分析的结果。直接转矩控制正式弥补了矢量控制的不足，避免了复杂的坐标变换，减少了对电动机参数的依赖性，以其新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能备受人们的青睐，得到迅速发展。直接转矩控制的目标是:通过选择适当的定子电压空间矢量，使定子磁链的运动轨迹为圆形，同时实现磁链模值和电磁转矩的跟踪控制，和矢量控制相比直接转矩控制具有结构简单，转矩响应速度快、对参数变化鲁棒性强的优点。虽然直接转矩控制技术跟其它的控制技术相比有很多优点，但是作为一个只有 30 年历史的新型技术，还有很多方面需要改进，最突出的问题主要体现在以下 3 个方面： (1) 由于转矩和磁链调节器采用滞环比较器，不可避免地造成了转矩脉动;(2) 在电动机运行一段时间之后,电机的温度升高,定子电阻的阻值发生变化,使定子磁链的估计精度降低，导致电磁转矩出现较大的脉动;(3) 逆变器开关频率的高低也会影响转矩脉动的大小，开关频率越高转矩脉动越小，反之开关频率越低转矩脉动越大3。这三个问题使系统在低速时性能变差，因而系统的调速范围受到限制。因此，抑制转矩脉动、提高低速性能便成为改进原始的直接转矩控制系统的主要方向。目前，直接转矩控制技术已经成为热门的研究课题，为了解决上述的问题，可将模糊控制引入到直接转矩控制的研究。2直接转矩控制的研究现状2.1直接转矩国外研究动态直接转矩控制技术首先是由德国鲁尔大学M.Depenhbrok教授于1985年提出，其直接在定子坐标下分析电机的数学模型，采用磁场定向，直接控制异步电动机的电磁转矩和电机定子磁链。若定子磁链控制成六边形，每个六分之一个控制周期，只施加一个电压矢量，能减少功率管的切换次数，改善电力电子器件的发热性能。这种控制方法，叫直接自控制(Direct Self Control, DSC) 4。1987年，把它推广到弱磁调速范围。定子磁链六边形方案虽然控制简单，但电机的电磁转矩脉动大，尤其在中小功率系统中，转矩脉动会使转速波动到不允许的地步，因此希望定子磁链控制形成圆形而不是六边形。于是，1986年，日本I.Takahashi（高橋勳）教授提出了定子磁链为圆形的异步电动机直接转矩控制方案。定子磁链为圆形的异步电动机直接转矩控制常称为直接转矩控制(Direct Torque Control, DTC) 。DTC的定子磁链为常数，其计算和比较都比较方便，简化了六边形磁链的比较过程。1993年，空间矢量控制(Space Vector Modulation, SVM)技术应用于异步电机直接转矩控中, SVM首先是由日本的GIFU大学的Yoshihiro Murai教授提出的，并于1992年，在SVPWM调制中，引入零矢量，其原理就是在SVPWM调制中均匀的插入零矢量，使得等待时间变得更加均匀，从而减少电流的高次谐波，使电动机的脉动转矩也更小5。SVM-DTC的思想根据转矩和磁链的需求，计算所需的电压矢量，在任一个周期内，由相邻的两个工作电压矢量和零矢量，每一个电压矢量分别作用不同的时间，从而合成所需的空间电压矢量，以实现转矩快速控制。相比于传统DTC, SVM-DTC能减小系统转矩、磁链、电流脉动，有助于提高电机运行效率和控制性能。2.2直接转矩国内研究动态相比而言，国内直接转矩控制研究起步较晚。90年代，清华大学开始了异步电机直接转矩的控制研究，1997年，西安交通大学将模糊控制应用于异步电机直接转矩领域1213。1998年，南京航空航天大学开始研究异步发电机的直接转矩控制技术，并获国家发明专利。2007年，上海交通大学将SVM-DTC和模糊控制相结合，提出转矩模糊控制器代替原有的转矩PI控制器，并给出了基于此模糊控制器的SVM-DTC系统。该转矩模糊控制器的输入是转矩误差与转矩误差变化率，输出为参考电压矢量的转矩分量。2011年，南京航空航天大学在SVM-DTC和模糊控制相结合的基础上，为提高控制系统的鲁棒性，采用了基于反电动势的模型参考自适应(MRAS)的无速度估算方法对转子转速进行估算6。3 模糊控制在直接转矩控制中的应用3.1直接转矩控制理论3.1.1直接转矩控制系统的基本结构传统的直接转矩控制的结构如图3-1所示：图3-1 直接转矩控制系统框图直接转矩控制的基本原理为：首先观测定子的电压、电流和电动机的转速，把观测到的定子三相电压、和定子三相电流、通过克拉克坐标变换后得到两相静止坐标系下的、和、，并根据公式 （3-1） （3-2） 进行定子磁链和 转矩的计算，并将测量值、与定子磁链和转矩给定值、值相减，其偏差信号输入到各自的滞环比较控制器中，滞环比较控制器输出的差信号为和7。根据公式（2-2）计算出磁链角，并通过磁链角的定位得到位置信号。根据、和来选择适当的逆变器开关的控制状态，使得控制逆变器输出电压空间矢量，控制定子磁链的旋转速度，进而控制转矩的大小。3.1.2转速调节由图3-2可知，给定转矩是由给定转速和实际转速的偏差通过PI转速调节器得到的，PI参数通常根据实际情况和操作人员的经验来进行设置的，把公式 （3-3）作为计算电磁转矩的原理，通过多次实验找到合适的PI参数，这样能保证转速PI调节器计算出的转矩值能更加准确，并作为直接转矩控制系统的外环。 图3-2 定子电压矢量的圆形轨迹、 空间划分及空间电压矢量图 3.1.3磁链控制 定子磁链计算采用传统的模型，定子磁链的表达式为 （3-4）式中：为定子磁链的原始值，在实际中，定子电阻的阻值过小，计算时就可以不考虑其数值的大小对电压的影响，则有 （3-5）由此可以看出定子磁链跟定子电压存在积分的关系，并且定子磁链矢量的方向随着定子电压空间矢量的变化而变化，由于定子磁链采用的是滞环比较器控制，为了保持定子磁链的轨迹为圆形，需要将其幅值控制在滞环带内。将滞环比较器的控制范围设定在。将空间复平面分为6个大小相同的区域，把这个区域称之为扇区，工作电压矢量都在相应扇区内如图3-2所示。每个扇区的范围是以定子电压空间矢量为中线为基准，各向前后延伸，因此每个扇区的跨度是。按逆时针方向扇区依次为、8。根据图3-2分析定子磁链控制原理，假设定子磁链逆时针旋转。当定子磁链位于区间1的时，此时定子磁链处于滞环带的内环上，为了要使磁链幅值保持，所以要选择合适的电压矢量来增加磁链幅值，、和都能够满足要求，但是和都会使幅值急剧变化，让电压矢量的选择复杂化，所以选择是最合理的。当磁链值幅值的轨迹到达点时，由于点位于2区滞环带的外环上，此时需要减少磁链的幅值，根据之前所提到的兼顾开关电压的旋转方向和速度而选择最合理；当磁链幅值再次运动到滞环带的内环点时，再继续选择适合的空间电压矢量，当磁链到达 .，按着上述选择空间电压矢量的方法让磁链矢量始终在滞环带宽内运动，从而得到近似圆形的磁链轨迹。定子磁链通过的滞环比较器来进行控制调节，使定子磁链始终满足条件。如图3-3所示，当定子磁链时，输出增加磁链的控制信号“1”；当定子磁链时，输出减少定子磁 图3-3 磁链控制示意图链的控制信号“-1”。 3.1.4转矩控制如图3-4所示，滞环比较器根据电磁转矩给定值与实测值的偏差来输出信号，当时，输出增加电磁转矩的控制信号“1”选择合适的开关电压矢量会使定子磁链矢量快速运动，此时电磁转矩会 图3-4 转矩调节器随着磁链角的变大而变大，当时，输出减少电磁转矩的控制信号为“-1”，选择合适的开关电压矢量会使定子磁链矢量的运动速度放缓，此时电磁转矩会随着磁链角的变小而变小，当时，零电压控制作用使转矩不会立刻变小，仍会继续增大，变小的只是变化趋势，转矩变小不是瞬间完成的;当时，输出的控制信号为“0”表示该时刻电磁转矩输出不变，此时施加空间零电压矢量。电磁转矩控制与定子磁链控制不一样，零电压矢量可以控制转矩值的变化幅度，这样就能够使转矩值在一个小的范围内变化9。根据电磁转矩反应速度快、定子磁链的轨迹始终在滞环带内运动和逆变器开关动作最少的原则，并同时考虑对定子磁链和转矩的控制来制定电压矢量查询表，如表3-1所示: 表3-1 开关电压矢量查询表（逆时针转）111100100110011011000111000111000111000-1101100110010011001-110100110011011001100000111000111000111-10011011001100100113.2基于模糊自适应PI调节器的直接转矩控制系统设计3.2.1系统原理传统的直接转矩控制技术中，逆变器的开关状态是根据滞环比较器输出的控制信号进行选择的。滞环比较器的控制信号实际上式转矩幅值偏差信号和定子磁链幅值偏差信号，我们把这种控制称之为“bang-bang”控制，但是该控制的调节宽度有限，定子磁链和转矩偏差没有范围等级之分，在系统运行中转矩和磁链偏差很大或者很小的情况下，容易选择同一个电压矢量，导致系统转矩控制的响应速度缓慢，尤其是在异步电动机刚刚启动的时候造成很大的转矩脉动。在模糊直接转矩控制系统中，定子磁链偏差、转矩偏差和磁链角都是用相应的取值范围来表示的，实际上这个取值范围就是模糊语言变量。根据之前所提到的缺点，并保证控制系统在动态和稳态时的性能，本文在系统中加入两个模糊控制系统。在外环转速控制中应用模糊自适应PI控制，之所以采用PI控制是因为微分作用会产生谐波干扰，通过建立模糊控制器来动态调整参数。在内环电压矢量控制上，将定子磁链偏差、转矩偏差和磁链角划分模糊等级，取代传统的开关矢量表，更加准确合理的选择空间电压矢量10。图3-5 基于模糊自适应PI调节器的双模糊直接转矩控制系统原理框图如图3-5为模糊直接转矩控制系统，该系统有两个模糊控制器，模糊自适应PI控制器是根据转速误差和误差变化率动态调整比例积分的参数和,这样计算出来的电磁转矩值能更加准确。电压矢量模糊控制器根据磁链偏差、转矩偏差和磁链角来动态选择电压空间矢量，用编好的S函数根据电压矢量来输出对应的逆变器的开关状态。3.2.2模糊自适应PI调节器的设计在直接转矩控制系统中，传统的PI调节器在离散系统控制系统表示为 (3-6)式中：，所以有 （3-7）式中: 为采样周期，为速度偏差信号，劝是转矩的给定值，为比例系数，为积分系数，通过公式(3-7)可以看出在不同的转速下，对和参数进行在线调整就会达到对系统的控制效果。结合直接转矩控制的特点，把转速误差、误差变化率和比例系数和积分系数，用模糊自适应PI控制器建立对应关系，达到动态调整的效果，其中和的表达方式为 （3-8）式中: 和表示额定转速和转速观测值。根据模糊规则的处理来找到比例积分参数和的取值范围，通过对直接转矩控制系统多次试验，观察转速曲线的变化，最终发现的合理取值范围是10,30，的合理取值范围是0,10。把和改写成两个一元一次方程式，这样就能达到动态的调节和数值的效果，则这两个一元一次方程式为 （3-9）对于速度误差，为了达到较好的速度响应，分为7个子集来表示；为转速变化率，因为数值己经过小，不用在分割过多的子集，只需要用3个子集来表示；对于比例积分变量和，模糊化4个子集Z S M B，它们的隶属函数如图3-6 、图3-7所示。 图3-6 隶属度函数和图3-7 隶属度函数和为了动态选择比例积分参数和，通过误差和误差变化率来调整和，并根据调整的规则来建立模糊控制规则，和的调整原则为11：1. 较大时，的大小和系统的反应时间有关，越大反应时间越小。越小越好，有时让，因为太大会产生过大的超调量，影响了调节精度；2. 为中大时，当选取较小的时会减小整个系统的超调量，但是的值不能过小，太小会影响系统的响应速度；3. 较小时，当选取适中的和较大的会增强整个系统的抗干扰能力，挺高了调节精度。通过上述的调整原则，根据直接转矩控制的特点，并多次进行仿真实验找到最优的模糊控制规则，如表3-2所示：表3-2 和控制规则表 模糊推理规则采用“if A and B then C and D”形式，控制规则的形式如下：“if =PB and =P then =B and =Z”共有21条控制规则，模糊自适应PI控制使用的是Mamdani型模糊推理的max-min合成法，解模糊环节使用的是为平均最大隶属度法。3.2.3电压矢量选择模糊控制器的设计 在了解模糊直接转矩控制系统的工作原理后，为了解决电磁转矩控制效果差，定子磁链轨迹不规则的问题设计了电压矢量模糊控制器。为了更加合理的选择逆变器的开关矢量，我们把定子磁链和电磁转矩的误差细分化，磁链角的划分合理化，根据磁链和转矩不同的误差 图3-8 定子磁链误差的隶属度函数选择最适合的电压矢量，制定了详细的电压矢量选择表。 对于磁链偏差信号，因为磁链的计算精度高，磁链偏差变化幅度小，只需把磁链偏差限制在-0.01,0.01的范围内即可，并将分割成为三个区域分别用N Z P来表示，如图3-8所示.对于转矩偏差信号，因为转矩作为衡量系统优越性最重要的指标，为了控制转矩脉动的大小，所以必须将转矩偏差信号细分化，把转矩偏差控制在-2,2的范围内，并将该范围分割成5个区域用NL NS ZE PS PL来表示12，如图3-9所示。 由于传统直接转矩控制中磁链角的划分范围过大，使选择的电压矢量不是最 图3-9电磁转矩误差的隶属度函数合理的，容易出现转矩脉动大的问题。 为了解决这一问题，在模糊控制中将磁链角分割成12个区域，使电压矢量在控制转矩方面得到合理的运用，其分割表达式为 （3-10）根据公式(3-9)磁链角在0，360的范围内，将该范围内的12个等价区间，分别用来表示，如图3-10所示:图3-10 定子磁链隶属度函数输出为逆变器的开关矢量脉冲信号，由于逆变器的开关矢量只有八种， ，所以其模糊子集的个数不用太多。该输出变量要求为离散值，所以可以用单点模糊集表示，如图3-11: 根据模糊规则的书写要求，编写该系统中通用的表达式为: If is ， is and is then is 。 根据通用表达式，如果磁链角在上，其模糊规则为：图3-11 开关状态U的隶属度函数如果要使和有较大增加，则选择，其模糊规则为:If is ， is and is then is 。 如果要使有较大的增加，有较大的减少，则选择，其模糊规则为: If is ， is and is then is 。如果要使有较大的减少，保持不变，则选择，其模糊规则为:If is ， is and is then is 。在整个静止坐标系叨下总共有3x5x12=180条模糊规则，如表3-2所示表3-3 模糊控制系统规则集3.3 直接转矩控制系统仿真结果分析3.3.1模糊自适应PI控制器模型根据3.4节所设计的模糊自适应PI控制器，在仿真模型库中找到Fuzzy Control模块，并储存相应的数据和加载设计好的模糊控制规则13，模糊自适应PI控制器的模型如图3-12:图3-12 模糊自适应PI控制器模型 根据3.4节所设计的电压矢量模糊控制器，在仿真模型库中找到Fuzzy Control模块，并储存相应的数据和加载设计好的模糊控制规则，电压矢量模糊控制器的模型如图3-13:图3-13 直接转矩控制器模型 图3-13中，输入1为给定磁链与观测磁链的差值，输入2为给定转矩与观测转矩的差值，输入3为磁链角，输出为开关电压矢量。3.3.2系统仿真结果分析为了保证仿真实验的合理性和准确性，把电动机的转速设置为，并在电动机启动时加载转矩进行仿真实验。其他的异步电动机参数见表3-4表3-4电动机参数两种控制系统的仿真模型如图3-14和3-15:图3-14 传统直接转矩控制仿真模型 图3-15 模糊直接转矩控制仿真模型 设置上述模型相应的参数进行实验得到电磁转矩幅值曲线、转速曲线和定子磁链轨迹的仿真结果1电磁转矩仿真结果如图3-16和图3-17 图3-16 传统直接转矩控制转矩幅值图3-17模糊直接转矩控制转矩幅值上图为两种控制策略的电磁转矩幅值曲线，在传统直接转矩控制下电动机启动时转矩的幅值达到，而模糊控制下的幅值是，在电动机达到平稳状态后模糊控制下的转矩脉动比较小。2.磁链仿真结果如图3-18和图3-19 图3-18传统直接转矩控制磁链轨迹 图3-19模糊直接转矩控制磁链轨迹图3-18和图3-19的两种控制策略下的定子磁链轨迹可以看出，模糊直接转矩控制使定子磁链控制精度提高、缩短了调整时间，其幅值变化也控制在很小的范围内。3.转速仿真结果如图3-20和图3-21图3-20 传统直接转矩控制转速曲线图3-21模糊直接转矩控制控制速度曲线在图3-20和图3-21转速曲线中可以看出，模糊直接转矩控制有效的减小了起动时的转速不稳定性，转速比较稳定，转速曲线相对平滑。参 考 文 献1 巫庆辉, 邵诚, 徐占国. 直接转矩控制技术的研究现状与发展趋势J. 信息与控制, 2006, 34(4): 444-450.2 张春梅, 尔桂花. 直接转矩控制研