（电机与电器专业论文）基于dsp的三相异步电动机直接转矩控制系统研究.pdf

a b s t r a c t t h et h e s i sf i r s te x p l a i n st h eb a s i cr u n n i n gp r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c 、，a n d p r e s e n t st h ea r i t h m e t i cm o d e lo f t h et h i n e * p h a s e a s y n c h r o n o u sm o t o r , a sw e l la si t sb a s i ce q u a t i o no f v o l t a g ea n df l u x t h ek n o w l e d g e a b o u td s pi ss i m p l yi n t r o d u c e d t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ff u z z y c o n t r o la n dt h e d e s i g n m e t h o do ff u z z yl o # cc o n t r o l l e ra l ea l s oi n t r o d u c e d c o n s i d e r i n gt h er e s p o n s eo fo r d i n a r yd t c i ss l o w e rd u r i n gs t a r t - u pa n dc h a n g ei n l o a d af u z z yc o n t r o l l e ri sp r o p o s e d f 1 u xp o s i t i o n 臼t t o ri nf l u xm a g n i t u d ea n de r r o r i nt o r q u ea l eu s e da sf u z z ys t a t ev a r i a b l e s f u z z y l o g i ci s u s e df o rc h o o s i n gt h e s w i t c h i n gs t a t e af u z z yl o g i cc o n t r o l l e r c a l lc h o o s et h es w i t c h i n gs t a t e sa c c o r d i n gt o as e to ff u z z yr u l e sb a s e do nb o t hs p e c i a l i s t s e x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g e ，w h i c h i m p r o v e st h er e s p o n s ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e me f f e c t i v e l yd u r i n gs t a r t - u pa n d c h a n g ei nl o a d i nf o l l o w i n gt w oc h a p t e r s , t h eh a r d w a r ea n ds o t h , v a l ed e s i g no f t h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e md e v e l o p e db ya u t h o ra r ed i s s e r t a t e di nd e t a i l t h ec h a p t e ro f h a r d w a r ed e s i g nf i r s t e x p o u n d s 也ew h o l ed e s i g n 1 1 坞s e v e r a lp r i m a r yc i r c u i ta r e d e s i g n e d ，i n c l u d i n gp o w e rc i r c u i t ，c o n t r o l l i n gc i r c u i t , d e t e c t i n gc i r c u i ta n dt h ed s p q u a d r a t u r ee n c o d ec i r c u i t t h ec h a p t e ro fs o f t w a r ed e s i g nf i r s t l y i n t r o d u c e st h e f l o w i n gc h a r to fw h o l es y s t e m ，a n dd i s c u s s e st h ew h o l ed e s i g ni d e a , g i v i n gt h e f l o w i n g c h a r to fm a i n p r o g r a ma n di n t e r r u p t i n gs e r v i c es u b - r o u t i n eo f t i m e ra n d p a r t o fp r o g r a mc o d e t h e ni n t e r r u p t i n gs e r v i c es u b p r o g r a ma n dv e l o c i t y m e a s u r i n g s u b - p r o g r a ma l ee x p a t i a t e di nd e t a i l a t1 a s t ，也er e s t r i c t i n gc u r r e n to fs t a r t u pa n d w e a k m a g n e t i s mt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e ds i m p l y a f t e rw ea p p l y t h ed e s i g ns c h e m e o ft h i sp a p e rt oat h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r , t h es i m u l a t i n ge x p e r i m e n tr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mr e a l i z e st h em o t o r ss t a b l er u n n i n ga n df a s t r e s p o n s ed u r i n gt h es t a r t u pa n du n e x p e c t e dc h a n g ei nl o a d ；m o r e o v e r , i tr e a l i z e st h e g o o dd y n a m i c a lp e r f o r m a n c e i n t e g r a t i n gt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lw i t ha c - t i m i n g t h i s p a p e ra p p l yf u z z yc o n t r o li ud i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t h e r e f o r ei m p r o v i n gt h es p e e d o f c o n t r o l l i n gs y s t e ma n dt h ec u p a c i t yo fr e s i s t i n gc h a n g eo fp a r a m e t e r s ，w i t hg o o d p r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ： d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；d s p ；3 - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r ；f l u xd e t e c t i o n ；t o r q u e d e t e c t i o n ；v o l t a g es p a c ev e c t o r ；f l u xa d j a s t m e n t ；t o r q u ea d j u s t m e n t l l 第一章绪论 异步电动机的直接转矩控制思想“3 ，是在定子静止坐标系下，应用空间矢量 概念，以定子磁链定向，通过检测定子电压、电流等量，直接在定子坐标系下计 算与控制电动机的磁链和转矩，以获得转矩的高动态性能。因此，直接转矩控制 克服了转子磁场定向控制的不足之处，如参数鲁棒性差，转子磁链不易精确观测 等，在很大程度上解决了普通电机控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数变 化的影响、实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问题。 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l d t c ) ，国外的原文有的也称为 d i r e c ts e l f c o n t r 0 1 d s c ，直译为直接自控制，其借助于离散的两点式调节 产生p 哪信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制。直接转矩控制与矢量控 制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等间接控制转矩，而是把转矩直接作为 被控量，它强调的是转矩的直接控制与效果。其实质是用空间矢量的分析方法， 以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制。1 9 8 5 年德国鲁尔 大学的狄普布洛克教授首先提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控 制理论，这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链 和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现p 咖脉宽调制和系统的高动态 性能。 直接转矩控制不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量变 换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，从而也不需要为解耦而 简化交流电动机的数学模型，而只需关心电磁转矩的大小，因此控制上对除定子 电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易得到 磁链模型，同时也很容易得到转矩模型，磁链模型和转矩模型就构成了完整的电 动机模型，因而能方便地实现无速度传感器控制嘲，如果在系统中再设置转速调 节器，即可进一步得到高性能动态转矩控制了。 由t i 公司所推出的t m s 3 2 0 f 2 4 0 是专为电机控制应用而优化设计的单片d s p 控制器，它不仅具备强大高速的运算处理能力，而且在片内集成了丰富的电机控 制外围部件( 事件管理器、p f y 】l f 产生电路、a d c 转换模块等) ，这为实现直接转矩 控制提供了极大的便利。针对普通的直接转矩控制系统在启动和转矩指令突变 时反应较慢的缺点，本系统采用模糊控制器，应用模糊逻辑来确定逆变器的开关 状态，把磁链位置、磁链幅值偏差和转矩偏差作为模糊变量，根据模糊规则选择 开关状态，从而有效地提高系统在启动和转矩指令突变时的响应速度。 直接转矩控制理论一问世，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构， 优良的静、动态性能而倍受关注，得到了迅速的发展。在大功率交一直一交传动领 域，德国r u h r 大学和a b b 合作，成功地将该控制技术应用于电力牵引系统中“1 。 并且，针对低频运行中存在的问题，提出了圆形磁链定向的直接转矩控制方法； 同时将调速控制范围扩展至恒功率区域。德国、日本、美国都在竟相发展这项技 术，预计未来将有较大的发展。 我国电机拖动的控制技术的水平与发达国家有较大差距，高性能的智能控制 变频调速系统的研究尚未取得根本性的突破。本文对这一先进的控制技术进行研 究，在理论上首先阐明空间电压矢量与磁链、转矩的数学关系，结合模糊控制技 术，建立了控制方案，实施了微机化控制，为该技术应用于电机拖动等领域的交 流传动系统打下了基础。 第二章直接转矩控制系统的基本原理 2 1 直接转矩控制系统模型及其数学关系 在图2 1 a 所示的电压型逆变器驱动异步电动机的系统中( 其中u 一为整流器 输出电压) ，引入空间矢量变换，将三相标量转换成在g 一声静止坐标系下的二维 矢量，逆变器输出状态可用六个有效电压矢量和两个零电压矢量表示。它们在复 平面的空间分布如图2 一l b 所示。六个有效电压空问矢- 8 - ( k k ) 均布，将坐标 平面分隔成六个扇区；零电压矢量( ，巧) 则位于坐标原点。 v ，心 口 lv l v ，v 少， ? ， r v j 图2 - 1逆变器驱动系统模型及输出电压空间矢量分布 异步电动机在定子位一所上坐标系下t 型等效电路的数学模型嗍如下： 驴戤+ 警 ( 2 - 1 ) o _ r r i r _ 等+ 溅 甲，= 甲。一三。f ， t = 三( 一矿) 电磁转矩还可以表示为： 铲专孤m m 妒 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 式中r 。，r ，定子、转子电阻 工漏感 f 。电磁转矩 “。一定子电压空间矢量 f 。一一定子电流空间矢量， f ，一一转子电流空间矢量 甲。一定子磁链空间矢量 甲，一一转子磁链空间矢量 一电角速度 妒一定、转子磁链的夹角 在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机：转 子磁链幅值由负载决定。如果要改变异步电动机的转矩，可以通过改变磁通角 ( 定转子磁链之间的夹角) 来实现。 2 2 直接转矩控制的控制策略“朝“o 萋 2 三三司 訇 c z s ， 4 电压，变换的方法是依据坐标变换理论，利用磁势不变的原则进行，其中， 圪，吆，k 分别为电动机定子三相电压；口，b ，c 对应逆变器的三相开关状态，上桥 臂开通时为l ，下桥臂开通时为0 。由( 2 7 ) 式将三相定子电流及电压其变换到 ( n ，b ) 方向，得到定子电流及电压空间矢量，从而计算出定子磁链、电磁转矩。 下面是定子端物理量到空间矢量z ( f ) 的3 2 变换公式： ( 2 - 7 ) 其中：x o ( t ) ，( 0 ，( f ) 是定子端物理量的瞬时值，工( 0 是定予电压( 电流) 空 间矢量， k ( f ) x p ( f ) 是x ( ，) 在( a ，卢) 坐标系上的两个分量。d t c 算法均基于上 式的坐标变换，通过坐标变换后，在a ，口方向对磁链和转矩进行计算和补偿。直 接转矩控制的核心是磁链控制和转矩控制，控制时需要测出直流母线电压和定子 电流，再按( 2 7 ) 式的坐标变换，将它们转换到盯，口方向，并在这两个方向估测 出电动机的定子磁链值和电磁转矩值，作为反馈分别与磁链给定和转矩给定构成 闭环，以实现直接转矩控制。1 。 设定子磁链t 在口一卢坐标系上分量分别为、壬，。、，则： 甲n 2i d t = l ( 一i r ，) 西 ( 2 8 ) 2i e , d t 2j ( “，一i p r , ) d t ( 2 9 ) 1 t 。= ( 匕一i 。) ( 2 一l o ) 上式中r s 为定子电阻，t e 为电磁转矩，、i 口可以由、i b 经c l a r k e 变 换得到，虬、u p 可以由u 女变换得到。 2 3 逆变器的8 种开关状态和电压状态 逆变器是整个系统的关键部分，它起着电源与电机之间的桥梁作用，对电动 机的调节过程也就是对逆变器调节过程，于是只要合理的选择逆变器的开关就 能对电机的运行状况进行调节，逆变器结构如图2 1 a ，由三组、6 个开关组成， 三组开关有8 种可能的开关组合( 逆变器上部开关接通为“l ”，下部接通为 “0 ”) ，见表2 一l 。 们引一 “啪“ i o o o o j o j 卜 。一：拈一： 一 一 1 o q = 卜h 表2 - 1逆变器的开关组合状态 、蜷态编号 开关名森、 ol234567 & o101o101 r o011001l 墨 0o00ll1l 8 种可能的开关状态可以分成两类：一类是工作电压状态l 到状态6 ，其特 点是三相负载并不都接到相同的电位上去；另一类是零开关状态0 和状态7 ，其 特点是三相负载接到相同的电位上。 上表中开关顺序与编号只是一种数学上的排列，实际开关状态并不一定与此 相符。对应于逆变器的8 种开关状态，对外部负载来说，逆变器输出7 种不同的 电压状态：一类是6 种工作电压状态( 状态1 - 6 ) ：另一类是零电压状态，它对 应于零开关状态。上述八种组合中，组合( 0 0 0 ) ，( 1 1 1 ) 状态下，电机的输入电 压为零，称为无效组合，也称为零电压矢量，其它组台为有效组合也即是有效 电压矢量，采用p a r k 矢量表达式，则逆变器的输出电压矢量为： 1 u ；0 ) = “。p ) + 8 。2 “3 ( r ) + e j 4 x ：3 材。( ，) ( 2 一1 1 ) j 逆变器的7 个电压状态，若用电压空间矢量u 。( ，) 来表示，则形成7 个离散的 电压空间矢量，如图2 1 b 所示。每两个矢量在空间位置相隔6 0 。，6 个工作电 压空间矢量的顶点构成6 边形的6 个顶点。若矢量从状态l 到状态6 逆时针旋转， 所对应的开关状态是：1 0 0 一叭0 1 1 0 - 0 0 1 一l o l - 0 1 l 。零电压矢量则位于6 边形的 中心点。 2 4 - 1 2 0 。电压空间矢量的调节作用。7 ” 在普通的直接转矩控制系统中，采用传统的六边形加零电压矢量的控制策 略，往往导致实际磁链与圆形磁链相比有较大偏差，导致转矩脉动较大，如果在 低速时零电压矢量的作用时间较长，定子磁链甚至可能发生较大的畸变。其实， 如果在控制系统中加入负1 2 0 。电压矢量，在很大程度上将改变电机的性能，在 低速或者是转速大幅度调节的时候加入负1 2 0 。电压矢量，磁链将不会发生畸变， 依然是设计者的期望值，并且在减速时大大加快电机的过渡过程。 6 接下来具体分析一1 2 0 。电压空间矢量的调节作用 选择三相定子坐标系中的a 轴与空间矢量复平面的实轴口重合，则三相物理 量j 乙( d 、五( f ) 、置( r ) 对应的空间矢量x ( t ) 如式2 7 。 在这六个非零电压矢量中角度相差1 2 0 。的两个电压矢量互为1 2 0 。电压矢 量，假定此刻电机运行在正转状态，如图2 2 ，v 。是u 的负1 2 0 。电压矢量( v 。 滞后v 31 2 0 。) ，反之，如果电机运行在反转状态，则u 是v 。的负1 2 0 。电压矢 量，这样依此类推可以得到各自的负1 2 0 。电压矢量。负1 2 0 。电压矢量作用时， 电机定子磁链将发生反转，从而使定子磁链矢量与转子磁链矢量之间的夹角口迅 速减小。根据公式( 2 一j )可知电机的电磁转矩将迅速减小。如果负1 2 0 。电压 矢量作用的时间比较长。还能够使妒变号，从而出现负的电磁转矩，使电机电动 运行状态变为制动运行状态而迅速减速。由于负1 2 0 。电压矢量比零电压矢量能 使转矩更快地减小，所以在动态过程中十分有用。当动态过程中转矩给定迅速下 降时，可插入负1 2 0 。电压矢量以加快转矩的响应过程。而且，由于负1 2 0 。电 压矢量的作用，使定子磁链矢量平均旋转速度降低的同时，磁链的幅值增大了。 鉴于普通的直接转矩控制在低速段时磁链幅值下降，因而负1 2 0 。电压矢量的这 一作用对于低速段运行区十分有用。普通直接转矩控制系统的速度调节是靠插入 零电压矢量来改变定子磁链矢量的旋转速度而实现的，速度越低，零电压矢量作 用的时间越长。如果零电压矢量作用的时间太长，定子绕组的续流电流下降得太 大，定子磁链的幅值将会下降，影响电动机的电磁转矩输出。这时可以插入负 1 2 0 。电压矢量的方法减小零电压矢量的作用时间，防止磁链幅值的下降。 图2 - 2电压空间矢量分布图 2 5 磁链、转矩调节器及电压状态选择 2 5 1 磁链调节器 磁链调节的任务是对磁链量进行调节，例如，在低速时由于定子电阻压降的 影响，定予磁链幅值将减小。为避免定子磁链幅值的减小，引入磁链调节闭环。 由磁链调节控制给出一个定子电压空间矢量，其主要作用是加大定子磁链幅值， 以维持其在容许的范围内波动。 一! 吁 图2 3磁链调节器 如上图2 3 ，磁链调节器采用施密特触发器，对磁链幅值进行两点式调节。 触发器的容差宽度为岛，是定子磁链幅值相对于给定值所容许的波动范围。磁 链调节器的输入信号是磁链给定值、壬，。与磁链反馈值甲，之差，其输出值是磁链量 开关信号v q 。 对磁链电压的选择有两种：一种是与磁链运动轨迹成一6 0 。角的电压空间矢 量；另种是成一1 2 0 。角的电压空间矢量。两者都能使磁链量加大。这里以- 1 2 0 。角的电压空间矢量为例来分析磁链调节过程。如上节所述，当磁链幅值偏小时， 可采用加- 1 2 0 。电压空间矢量的方法，使磁链量加大“”，用给定磁链与由磁链观 测器输出的观测磁链( 这里看作实际的电机内部磁链) 作滞环比较。输出为“1 ”， 加有效电压矢量使电机磁链增大；输出为“o ”，加有效电压矢量使电机磁链减 小。由以上调节过程可见，由于磁链调节的作用，使得定子磁链空间矢量在旋转 过程中，其幅值保持在以给定值为基准，以如为容差限的范围内波动。 2 5 2 转矩调节器 转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制，其功能包括：用转矩两点式调节 器直接调节转矩；在调节转矩的同时，控制定予磁链的旋转方向，以加快调节速 度。“。转矩调节器的结构采用施密特触发器，容差分别为a t 、正，如下图所示： 图2 - 4转矩调节器 调节器的输入信号是转矩给定值和转矩反馈值l 的信号差，调节器的输出 量是转矩开关信号丁r q ，调节器采用离散的两点式调节方式。通过转矩观测器产 生的实际转矩值与给定转矩值作滞环比较产生输出对转矩进行调节，图中t t ，t 是用来判断是否选取零矢量，t 是用来判断是否选取负1 2 0 。电压矢 量，其中开关的选取规则如下：当一t l t 一一 一t 时，加零电压矢量进行 调节，使转矩减小；l 一0 占 ( 4 一l o ) 根据上式来判断模糊控制规则的完备性是可行的。因为在确定模糊子集的划 分时，各子集之间是有重叠的，而且构成模糊控制器语言变量的各语言值是该语 言变量的一个模糊划分。所以，除非设计遗漏了若干规则，或模糊子空间划分不 当，否则式( 4 - 1 0 ) 总是成立的。在实际系统中，若模糊控制是以模糊规则库的形 式，通过在线推理产生控制量，则当模糊规则库不完整时，将发生匹配不能完成 的情况。而当以查询控制表的形式控制时，且模糊规则库不完整时，则可能导致 不正确的输出，使控制性能恶化。 4 5 2 控制规则的干涉性 定义：若模糊控制规则之间发生干涉，则下列不等式一定成立： l 三x ，。r u ( 4 1 1 ) 上述定义表明，若模糊控制器的控制规则间存在相互干涉，则置对模糊关 系足进行合成运算后得到的控制量不再等于u 。控制规则的干涉可以导致意义 不明的控制结果。模糊控制器的干涉性来源于控制器的逻辑结构。如果用模糊关 系的方法，即用一个模糊关系矩阵来表示模糊控制器，则不存在这个问题。尽管 如此，如果模糊控制器的干涉强度很大，则在确定输入变量的模糊语言值的隶属 函数的分布时，应尽量避免不同模糊子集之间重叠太多，即输入变量不能太“模 糊”，否则控制量u 也因此会变得很“模糊”，最终导致它们不同语言值的隶属函 数几乎相同。这意味着控制量u 无法传递多少有意义的控制信息，最终导致控制 性能下降。 4 5 3 控制规则的相容性 如果由模糊控制规则推导出的控制输出是多峰的，说明模糊控制规则存在不 相容性，这可能发生在规则库中，两个控制规则具有几乎相同的状态( 前件部分) ， 但却有不同的控制作用( 后件部分) 。当模糊控制规则库是由人的经验和知识归纳 总结出来时，人的头脑中会有矛盾的准则，这样会导出不相容的控制规则。 模糊规则的不相容性导致的模糊控制作用的多峰现象，在解模糊算法之后一 般都会消失，因为解模糊算法总是要得出一个精确的控制量。然而这并没有解决 规则间本质上存在的矛盾性，具有矛盾的规则虽然可以最后得出一个唯一的控制 作用，但这个控制作用是不合理的，从而导致不合理的控制效果。因此消除或替 换有矛盾的不相容的规则是必要的。例如，对于某反应釜系统，有如下两条控制 规则： r 1 ：如果反应温度过高，则减少进料流量，降低反应槽内的温度。 r 2 ：如果反应转化率较大，则增大进料流量，升高反应槽内的温度。 这里，似乎两条控制规则的前件不同，因此采用了不同的控制策略。但事实 上，反应温度较高时往往反应转化率也较大，即两条模糊规则的前件是相似的， 而结论却截然不同，因而两条规则是不相容的。 规则的不相容还可能发生在同一结论中表达两种相互矛盾的指标。例如在通 常情况下，“高精度”和“低能耗”总是不相容的。又如，对反应釜系统，若有 如下规则： 如果反应转化率太高，则减少进料流量，且升高反应槽内的温度。 这里，减少进料流量和升高反应槽内的温度对转化率的影响可能是相互抵消 的，因此上述模糊规则也是不相容的。有趣的是，若采用中位数法或加权平均法 实现模糊判决，那么这种矛盾的多输出现象将消失，但折衷后的控制效果使任何 一条规则的控制目标都不能很好的满足。控制规则的相容性对控制器性能有较大 的影响。若控制规则中有两条或两条以上规则不相容，那么控制结果将变差，甚 至可能出现无法预料的结果。因此，在建立模糊规则对，有必要深入考虑不同规 则之间的相互关系，最终消除或替换存在明显矛盾的规则。 4 5 4 控制规则的鲁棒性 控制系统的鲁棒性是设计控制器时最为关心的性能指标之一，因为它直接反 映控制器受输入扰动、控制系统参数和结构变化等因素影响的严重程度。一个鲁 棒性不好的控制器，往往在扰动或参数变化的情况下，其动态和静态性能将会大 幅度下降，甚至会失去稳定。模糊控制器与常规控制器相比，其鲁棒性较强，这 也是模糊控制器倍受亲睐的重要原因。不过，它同样存在鲁棒性的问题。在已知 系统输入统计特性的情况下，根据模糊控制算法，就可以求取模糊控制的统计特 性。现假设输入变量工是随机变化的，它含有扰动只，这意味着模糊控制器中， 第f 条规则的触发水平也是随机的，记为a ，根据随机过程的基本原理可以得到 f 的分布函数f ，控制量u 也表现出随机的特点，但u ，不是随机量。可以得 控制量u 的分布函数为： f ，o e 舾) ： l k ( 国) 国m i n ( 4 1 3 ) i 1其他 对每个控制量u 进行计算，则可以得到u 的分布函数。得用上述结果可以 讨论模糊控制器的鲁棒性，研究系统噪声对模糊控制器的影响。 第五章模糊控制原理在直接转矩控制中的应用 模糊控制的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总 结成一系列“i f ( 条件) t h e n ( 作用) ”形式所表示的控制规则，通过模糊推理 得到控制作用集，作用于被控对象或过程。控制作用集为一组条件语句，状态条 件和控制作用均为一组被量化了的模糊语言集，如“正大”、“负大”、“高”、“低”、 “正常”等。它们共同构成控制过程的模糊算法。所以，模糊控制是根据对被控 对象或过程的知识与人的生产技能等，导出自然语言的控制规则，利用模糊理论 进行控制，不依赖于对象或过程的数学模型，便于利用人长期以来积累起来的经 验、知识，鲁棒性好，简单实用“。 对于电机而言，具有非线性、强耦合的特点，且电机参数随温度、负载等的 变化而变化“”，如采用传统的控制方法，难以实现高动态性能的实时控制。而且， 在起动阶段及负载突变时，由于偏差很大，导致电机反应很慢。采用模糊控制器， 能根据输入而及时调整控制规则，将专家知识转换成自动控制策略，能达到较为 满意的控制效果。具体控制系统框图如下： 图5 - 1d t c 模糊控制系统框图 其中，i o ，为电动机定子相电流；吃为整流器输出的直流电压；曰为定子 磁链角；t 。为电磁转矩；甲，为定子磁链：、l f 和t e 分别为磁链和转矩给定值。 5 1 模糊变量及隶属度函数 该模糊控制器设计了三个输入模糊语言变量，分别为t ( 定子磁链) ，( 电 磁转矩) ，0 ( 定子磁链角) 。输出模糊语言变量为逆变器开关状态m 。 设定子磁链在口一卢坐标系上分量分别为。、壬0 ，则根据三相异步电 动机的数学模型( 磁链模型、转矩模型) ，可以得到以下关系式： o r s 。= p 。出= 陋。一j 。月；) 出 ( 5 1 ) = n d t = ( - i # r , ) d t ( 5 2 ) i = 詈( 一、 0 屯) ( 5 3 ) 0 = 一喀。1 ( 一。日) ( 5 4 ) 由上式计算出甲。、t ，与给定值比较后得到磁链和转矩偏差，通过量化因子 _ j 。，t 。将偏差p 。e 。转换为模糊控制器的输入也，e 。，点。，e 。分别取值为： e ，。= ( 5 - 5 ) 在本文中， p e ，。= 正偏差 z e 。= 零 n e f 负偏差 e = ( 5 6 ) 设定磁链偏差量e , s 相应的模糊语言变量为： 其相应隶属度函数如右图5 2 图5 - 2 e e s 的隶属度函数 设定转矩偏差玩相应的模糊语言变量为： p l e 。= 正大 p s e 。= 正小 z e 【e - 零 n s e e - 负小 n l e 【e = 负大 。 其相应隶属度函数如右图5 3 e ，s 渐。 一42024 7 图5 - 3 的隶属度函数 第三个模糊变量0 分为1 2 个模糊状态，其隶属度函数示于下图5 4 中 耻e 1 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 21 2 图5 4o 的隶属度函数 5 2 模糊规则与模糊推理 模糊控制规则的语言形式为： r 。：i fe t s = a ，e r e = b ，a n d 口= c i t h e n m = m 。，其中一。，e ，c ，m ，分别 对应了各模糊语言变量的模糊状态，通过分析定子磁链及电磁转矩的变化与磁链 角的空间矢量关系，得出模糊规则表。 厂 q 八 夕“ 貉 、 一j 图5 - 5定子磁链变化关系图 8 一 如上图所示，当电压状态分别为状态1 ，5 ，6 时，定子磁链将增大m 1 ；为2 ， 3 ，4 时，定子磁链将减小。对于具体电压开关状态的选择而言，当实际磁链远小 于给定磁链时，应选择开关状态6 ：当实际磁链远大于给定磁链时，应选择开关状 态3 。 拱越 盘，z 7 。 p 一 r 口 。 图5 - 6电磁转矩变化关系图 p 如上图所示，电流转矩分量方向垂直于定子磁链方向。当电压状态分别为状 态l ，2 ，3 时，电磁转矩将增大；电压状态分别为4 ，5 ，6 时，电磁转矩将减小。 对于该图所示具体电压开关状态的选择而言，当实际电磁转矩远小于给定电磁转 矩时，应选择电压开关状态2 ：当实际电磁转矩远大于给定电磁转矩时，应选择电 压开关状态4 。 综合以上磁链、电磁转矩的电压开关状态的选择关系，得出下面的控制规则 表。 其中，0 7 分别对应电压型逆变器的开关工作状态，依次为：0 0 0 ，0 1 1 ，0 0 1 ， 1 0 l ，1 0 0 1 1 0 ，0 1 0 。 表5 - i模糊控制规则表1 01020304 吨 pznpznpznpzn p ll22223233334 p sl23233234344 z e00000ooo0o00 n s6o3605105l06 n l655665l661l6 表5 - 2模糊控制规则表2 05o60708 k ， pznpznp zn pzn p l344445455556 p s345 455456 566 z eo0o000o000o0 n s2o62ol30l3o2 n l21122l322332 表5 - 3模糊规则表3 0901 001 101 2 沁 pznpznpznpzn p l566661611ll2 p s56l6ll612122 z eooooo0o0000o n s4o2403503504 n l433443544554 如上表5 - 1 ，5 - 2 ，5 - 3 所示，模糊控制规则共有1 8 0 条，在实际的计算机控 制中，只要根据o 、五k 、和r ，进行模糊推理后即可由此表查出相应的输出 量，从而得到逆变器开关状态。以下具体说明模糊推理过程侧啪1 ： 4 ，e ，g ，m 分别为t ( 定子磁链) ，( 电磁转矩) ，o ( 定子磁链角) 及 逆变器开关状态删的具体模糊数，模糊推理采用地l i - m i n 法则m 1 ，取最大隶属度 对应的输出量作为逆变器的开关状态输出。 对应于模糊控制器输入0 、e 。、和艮，其对应4 ，日，q 的隶属度分别为 形够) ，刖。( ) ，艘( 瓯) 则有强度： 珊= m i n ( 刖，( ) ，魍( 瓦) ，c f ( 曰) ) 推理结果为： a = r a i n ( 国，m ( ) ) 对于第i 条控制规则： r l ：谚e q s = a 。，e t e = b l ，a n de = c i t h e n i r a = m l 其推理结果为： a 1 = r a i n ( c o l ，i ( 神) a 3 = m i n ( c 0 3 ，“，( 晰) ) ( 5 7 ) ( 5 - 8 ) ( 5 - 9 ( 5 - 1 0 ) ( 5 1 1 ) 从而有输出电压状态m 的隶属度为 1 8 0 m ( m ) = m ! x ( 口，) ( 5 - 1 2 ) 根据m a x m i n 法则，取最大隶属度对应的输出量作为逆变器的开关状态输 出。 在实际运用中，本系统采用查表法实现模糊控制，将上述控制表作为“文件” 存储在计算机中，当进行实时控制时，便于根据输出的信息，从“文件”中查询 所需采取的控制策略。例如计算出的磁链偏差、转矩偏差经量化后分别为一2 5 、 5 ，磁链角为丌t 1 2 ，反映了该状态时磁链偏小，同时转矩偏大很多，定子磁链靠 近第四象限1 3 负半轴，相应的模糊语言变量分别为n e ，；、p l e 03 ，此时电 机需要增大磁链、减小转矩，通过查找模糊规则表，得到输出逆变器电压状态为 3 ( 1 0 1 ) ，从而直接控制d s p 的六路p w m 输出信号，达到增大磁链、减小转矩的 目的。因为输出结果是逆变器的电压开关状态，本身是清晰的，故该最大化的方 法自动实现了解模糊，从而直接作为控制量输出。 第六章控制系统硬件设计 本文所研究的直接转矩控制系统选用t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片作为控制核心， 由整流器、逆变器构成的主回路和控制回路组成。由第三章对t m s 3 2 0 f 2 4 0 控制 器的介绍，我们知道它是专为电机控制而优化设计的单片d s p 控制器，不仅具备 强大高速的运算处理能力，而且在片内集成了丰富的电机控制外围部件，这就大 大简化了控制电路的硬件设计，使得整个数字控制系统的硬件设计比较简洁。 6 1 整体设计论述口1 在论述硬件的整体设计之前，先给出硬件控制系统的原理框图，如图6 - i 所 不。 。 核 p w m j 墼 心 控 a d ch 相电流检测电路l 制 a d c r 1 检测电路r 厂 器 t m s 3 2 0 f 2 4 0 咂 图6 1 控制系统硬件框图 整个系统按功率电路板、d s p 控制板、1 5 v 开关电源进行模块化设计。图中 智能i p m 模块采用富士公司生产的6 m b p 5 0 r a l 2 0 ，整流器采用6 r 1 3 0 g ，电流检测 电路由接在逆变桥输出端的电流霍尔传感器电路组成，如图6 4 所示，由霍尔电 流传感器输出的电流信号经过处理后，再送到d s p 的a i ) c 端；直流电压检测电路 由接在整流器输出端的电阻分压电路检测到直流母线电压，电动机的相电压值则 根据当前直流母线电压及逆变器的开关状态计算得到。接口电路主要是指键盘和 显示电路以及内存扩展电路，保护电路主要包括过( 欠) 压、过流、短路、温度 等保护电路。整个数字控制系统在硬、软件的协同配合下实现对三相交流电动机 的闭环控制。下面重点论述其中的几个主要电路设计。 6 2功率电路 功率电路由不可控整流模块、滤波电路和逆变模块组成。滤波电路消除来自 电网的谐波干扰，提高整个系统的抗干扰能力。逆变模块选用富士公司生产的智 能i p m 模块6 m b p 5 0 1 l a l 2 0 ，内部集成了功率芯片i g b t 、检测电路及驱动回路，不 仅把功率开关器件( i g b t ) 和驱动电路集成在一起，而且还具有过流、过压、欠 压、温度等保护功能，因而简化了片外的驱动电路，减少了系统的故障率。i p m 的故障输出信号r 通过光电耦合器接到d s p 的p d p i n t 端口，在i p m 发生故障时， d s p 能把所有事件管理器输出引脚都置成高阻状态，禁止p 删信号输出，对系统 进行保护。 逆变器要求同一桥臂上下开关管始终有一个导通，另一个截止，而且必须互 锁。因此p 删信号必须有足够的死区时间，否则将会造成同一桥臂上下开关管同 时导通，导致t g b t 模块烧坏。t m s 3 2 0 f 2 4 0 内集成了死区调节电路，死区时间可 在o - 1 2 0 z 内变化。具体死区时间由软件来设定，本系统取死区时间为4 1 z 。 逆变模块选用f u j i 公司的6 m b p 5 0 r a l 2 0 ，其功能是把直流电变换成频率可调 的三相交流电，具体结构如图6 2 所示 图6 - 2 中的起逆变作用的是六个功率1 6 b t 管，其开关触发控制信号受 t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片所输出的六路p 咖波的控制，通过功率管有规律的通断将 直流电逆变为交流电，提供给异步电动机的三相定子绕组。但是从t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 芯片直接输出的p 州触发控制信号不足以驱动功率管的通断，因此在触发控 制信号和功率管栅极之间设置了功率驱动电路”1 。 本系统采用不可控的整流二极管模块6 r 1 3 0 g ，模块内部由二极管三相全控 桥组成。 滤波电路由两个电容器( 2 0 0 0 z f ，4 5 0 v ) 串联而成，因为电解电容具有较大的 离散性，故两串联电容量常不能完全相等，这使它们承受的电压可能不相等。 为了使两电容电压相等，在两电容旁各并联一个阻值相等的均压电阻r 。和 ( 3 0 0 k ) 。 l m d = t d 去 西匕= ! = 黾固 碎唪鞘2 s i i 2 蚓d 茁 。霹i ，：= 与叼 i ：o r 二： 奉 l肆甑鼍i l 垂主哨千仁 f 兰豳氧2 1 c p 5 0 k w ) ，在额定工作状态下，其定子电 压降一般小于额定电压的3 5 。这意味着，大约在大于3 0 的理想空载转速的范 围内，定子电阻压降对定子磁链的影响很小。从而定子磁链空间矢量的顶点基本 上按定子电压空间矢量“：o ) 作用的方向运动。定子磁链很好的近似正六边形轨 迹。六边形轨迹的边到六边形中心的距离与磁链给定值一致，这正如图8 - 3 中的 外轨迹图1 所示的情况。当转速较小时，定子压降对定子磁链的影响也加大了。 例如，当转速为0 o s n 时，如图8 - 3 中的内轨迹图2 所示，定子电压降的影响通 过定子磁链六边形轨迹的扭曲可以很清楚地看出来。图中带点的时刻是定子电压 的零状态电压起作用的时刻，此时定子磁链不继续旋转，但由于定子电压降的作 用，定子磁链空间矢量的顶点偏离原正六边形轨迹，向六边形中心移动，磁链幅 值明显减小，磁链轨迹发生畸变，当定子电压空间矢量“。( f ) 的工作状态接通时， 定子电阻压降的影响很小，因而可以忽略。定子磁链空间矢量的顶点则继续沿着 电压空间矢量的方向运动，也就是沿着与原正六边形平行的方向继续旋转。当两 种情况不断的交替出现，就产生了图8 3 所示内轨迹图2 的畸变轨迹，转速越低 时，转矩的脉动频率越低，影响就越为严重，造成上述影响的直接原因是当电机 运行于较低转速时，定子电阻的设定偏差对定子磁链观测结果的不良影响o “。 当电机运行于较高转速时，电机的相电压相对较高，此时定子电阻的偏差所 造成不良影响基本上可以忽略。 2 、硬件电路所带来的直流漂移量 由于检测硬件电路中会不可避免的包含直流漂移量，因而积分器的输入信号 必然包含有一定的直流分量。该直流分量即使很小( 当电机的转速较低时，反电 势较小，因而此时输入信号中的直流偏移现象的影响会变得更严重) ，但由于积 分器的积累作用，最终也会使积分器计算的输出( 定子磁链) 发生严重偏移，因 此成为导致电机转矩脉动又一诱因。 可以看出由于低速时电机的反电势比较小，直流偏移的影响变得更加严重， 它不但引起了定子磁链的直流偏移，而且使定子磁链的波形发生了严重畸变，导 致电机在低速时的转矩脉动更加严重。 通过上述的分析