基于DSP的异步电动机变频调速的研究.doc

基于DSP的异步电动机变频调速的研究摘 要本文首先论述了直接转矩控制的基本原理，针对传统的直接转矩控制采用Band-Band磁链和转矩控制器而导致系统转矩响应较慢和脉动较大的缺点，提出了一种模糊控制器，根据一套基于专家经验和知识的模糊规则，应用模糊逻辑推理来确定逆变器的开关状态。论文以TMS320LF2407A芯片为核心控制器件，组建了一个全数字化的模糊直接转矩控制实验系统，软件部分采用C语言和汇编语言混合编程的设计方法，既保证了控制程序算法的运算速度，又为从软件方面着手改善系统性能提供了可能性。利用Matlab/Simulink工具对系统进行了建模仿真，结果表明在直接转矩控制中应用模糊控制技术，提高了电机的动态性能以及抗参数变化的能力，在实际的电机控制系统中，具有良好的发展前景。关键词：直接转矩控制，模糊控制，TMS320LF2407A，系统仿真AbstractThe thesis first explains the basic running principle of Direct Torque Control (DTC).Considering the slow torque response and the large torque ripple of ordinary DTC, a fuzzy controller is proposed to substitute the classic Band-Band flux and torque controller, which adopts fuzzy logic to choose the switching states according to a set of fuzzy rules based on both specialists experience and knowledge. This thesis builds a digital fuzzy logic DTC experimental system based on TMS320LA2407A chip. The software system is developed through C programming and Assemble Language, which can not only ensure the arithmetic efficiency but also offer the possibility of improving the performance of system by modifying software. This paper contributes the emulational model via Simulink module of Matlab software, the results show that applying fuzzy control in DTC, can improve the dynamic performance of controlling system and the capacity of resisting change in parameters. In the actual motor control system, this method is a promising AC drive scheme.Keywords：direct torque control, fuzzy logic control, TMS320LF2407A, system simulation64目 录1 绪论11.1 引言11.2 直接转矩控制技术的特点及存在的问题21.2.1 直接转矩控制技术的特点21.2.2 直接转矩控制技术存在的问题31.3 直接转矩控制的研究现状及发展31.4 论文的主要工作及研究的意义52 直接转矩控制基本理论72.1 异步电动机动态数学模型72.2 直接转矩控制理论92.2.1 异步电动机的磁链观测模型92.2.2 空间矢量PWM逆变器102.2.3 磁链和转矩闭环控制原理132.2.4 磁链和转矩控制性能分析152.3 传统直接转矩控制算法的实现182.3.1 转矩偏差的确定182.3.2 磁链偏差的确定182.3.3 开关表的确定183 基于模糊控制器的直接转矩控制系统223.1 模糊控制理论简介223.1.1 模糊控制的基本原理223.1.2 模糊控制器设计的基本方法233.2 直接转矩控制的模糊控制方法263.2.1 模糊子集的选取273.2.2 模糊控制规则的建立283.2.3 模糊推理及模糊决策293.3 模糊控制的实现303.3.1 模糊量的离散化303.3.2 模糊控制表的计算314 模糊直接转矩控制系统的仿真研究344.1 MATLAB及SIMULINK 简介344.2 仿真系统的组成344.2.1 模糊控制器344.2.2 转矩、磁链和磁链角的计算364.2.3 逆变器模型374.2.4 电机模型384.2.5 S函数的设计384.2.6 系统仿真模型图404.3 仿真结果分析415 控制系统的硬件设计与实现455.1 控制用芯片TMS320LF2407A简介455.2 硬件整体设计概述475.3 功率电路设计475.4 控制电路设计485.4.1 电流检测电路及AD输入电平匹配电路495.4.2 母线电压检测505.4.3 速度检测515.4.4 PWM输出515.4.5 串行通讯接口(SCI)525.4.6 显示电路526 控制系统软件设计546.1 DSP软件设计介绍546.1.1 C语言和汇编语言混合编程的实现方法546.1.2 集成开发环境CCS简介556.2 软件设计整体概述566.3 主程序设计566.3.1 DSP初始化设计576.3.2 串行通信(SCI)模块程序设计596.3.3 显示模块程序设计596.4 PWM中断服务程序模块606.5 功率模块保护中断服务程序616.6 速度检测程序62结论与展望63致 谢65参考文献65论文 1 绪论1.1 引言电动机被广泛应用于工业、民用的各个领域。这其中，交流电动机，特别是三相异步电动机，由于克服了直流电动机造价偏高、维护困难、寿命短、单机容量和最高电压受一定限制等缺点，自然成为生产中应用最多的电动机。随着现代技术的进步，特别是电力电子技术、微处理器技术和自动控制理论的发展，电机控制技术已不再是传统的“电动机控制”或“电气传动”,而是在此基础上进一步融合了“运动控制”1的概念，要求精确地实现被控对象的位置控制、速度控制、加速度控制以及转矩的控制。三相感应电动机是一个多变量、非线性、时变、强耦合的被控对象，同时电机的一些参数在不同运行工况中会发生变化，所以其模型非常复杂。现代电机理论的发展促进了人们对于电机内部各变量关系的研究与分析，以Park等为代表的学者以坐标变换为基础，提出了电机统一理论，在一定条件下，得到了三相感应电机在二相坐标系中的数学模型，并且经过坐标变换，得到解耦的数学模型。1968年Darmstader工科大学的Hasse博士初步提出了磁场定向控制(Field Orientation)理论，也称为矢量控制，之后在1971年西门子公司的F.Blaschke对此理论进行了总结和实现，逐步形成了现在的各种矢量控制方案。其原理是用矢量变换的方法研究电机的动态控制过程，不但控制各变量的幅值，同时控制其相位，并利用状态重构和估计的现代控制概念，巧妙实现了交流电机磁通和转矩的重构及解耦控制，从而促进了交流电机控制系统走向实用化。但是矢量控制需要以转子磁场来定向进行坐标旋转变换，所以系统结构复杂，计算量大，并且对电机转子参数的依赖性较大，当转子电阻或转子时间常数发生变化时，其控制就会出现严重的问题，因而需要加上对转子参数进行辨识的环节，这无疑又加大了控制的复杂程度。在研究矢量控制技术的同时，各国学者并未放弃其他控制方法的研究。它们相继提出了一些新的控制方法2，如直接转矩控制，电压定向控制和定子磁场定向控制等，其中直接转矩控制(Direct Torque Control, DTC)技术以其结构简单、转矩响应迅速以及对参数鲁棒性好等优点引起广泛关注。和矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，通过直接控制逆变器的开关状态，使转矩和磁链偏差限制在预定的容差范围内，最终实现磁链和转矩的直接控制。目前高性能的交流调速控制技术主要是指矢量控制和直接转矩控制两种控制方式。这两种控制技术正在成为感应电动机转矩控制的工业标准，并且基于这两种技术的交流传动变频器已经在工业上成为现实3。1.2 直接转矩控制技术的特点及存在的问题1.2.1 直接转矩控制技术的特点直接转矩控制相对于其它控制方法具有以下特点4：1. 直接转矩控制直接在定子坐标下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的转矩和磁链。它既不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，省掉了矢量旋转变化等复杂的变换计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程作出直接和明确的判断。2. 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它检测出来。而矢量控制的磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数影响的问题。3. 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题简单明了。4. 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果，它包含有两层意思：直接控制转矩和转矩的直接控制。直接控制转矩与著名的矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此它并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。而对转矩的直接控制是指利用直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是，通过转矩两点式调节器或三值调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环的比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内。因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际情况，控制既直接又简化。1.2.2 直接转矩控制技术存在的问题尽管直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。然而，传统的直接转矩控制存在下面一些问题5：1. 低速性能差低速性能差是一个综合问题，它包括低速转矩脉动问题，磁链观测问题，定子电阻补偿问题，低速下噪声大的问题。比如，在传统的直接转矩控制中，定子磁链观测是由u-i模型得到的，在低速时，由于存在定子阻抗压降，会造成定子磁链观测不准确，使低速性能变差。2. 电流和转矩脉动大电流和转矩是直接相关的，对于传统的直接转矩控制来说，无论低速还是高速，都存在转矩脉动比较大的问题。3. 开关频率不固定在传统的直接转矩控制中，逆变器的开关频率会随电机转速以及磁链和转矩的滞环大小而变化。 1.3 直接转矩控制的研究现状及发展十多年来，直接转矩控制不断得到完善和发展，许多文章从不同的角度提出新的见解和方法，特别是随着各种智能控制理论的引入，又涌现了许多基于模糊控制理论和人工神经网络的直接转矩控制系统，控制性能得到了进一步的改善和提高。该技术已经成功地应用在铁路牵引大功率的交流传动上。但是，由于直接转矩控制还是一门发展中的技术，仍有许多不完善的地方。当前，德国、日本、美国等国都投入了大量的人力、物力和资金开发和发展此项技术。研究现状可以从以下几个方面加以阐述6。1. 开关模式表的设计传统DTC系统一般对转矩和磁通采用单滞环控制，根据各滞环的输出结果来确定电压矢量。显然，转矩、磁通的偏差区分得越细，电压矢量的选择就越精确，控制性能也就能得到改善。用施密特触发器实现DTC系统中的转矩调节和磁通调节时，触发器的容差大小将直接影响系统的性能，而容差本身又是个模糊量，难于控制。因此可以引入智能控制技术，设计智能开关状态选择器。2. 逆变器的设计对异步电机直接转矩控制系统的空间电压矢量PWM而言，目前使用较多的是两电平电路。它是根据给定电压矢量的位置和大小，利用有限的8个空间电压矢量，调整其作用时间，使之能在一个采样周期内的平均效果和给定矢量等效。原理与两电平电路类似，但三电平电路的矢量数为27，远大于两电平的矢量数8，因此矢量选择范围大，能更好地通近正弦磁通，控制电机获得更好的性能。同时，因每条桥臂由两个管子承受电压，系统容量变大，可靠性提高，损耗减少。但另一方面，矢量的选择也有一定的限制，除了要考虑中点电压平衡的问题，还不能使相电平及线电平跳变超过直流母线电压的一半。3. 低速性能的改善传统DTC系统中，定子磁链一般采用U-I模型7：s为定子磁链，Us、Is分别为定子电压、电流瞬时空间矢量，Rs为定子电阻。当电机运行当中，高速时，若忽略定子电阻Rs,控制结果仍具有很高的精度；但速度越低，定子电压降落于定子电阻上的分量会越来越大。此时，若忽略Rs或认为它是常数，磁链幅角、幅值与真实值偏差会越来越大，这是因为磁链的估算为开环积分型，一旦有误差，则无法衰减，只能依次叠加，会严重影响系统性能。因此，如何准确检测Rs的实时变化，一直是改善系统低速性能的首要间题。近年来，人们设计了多种定子电阻观测器来解决之。4. 无速度传感器DTC系统的研究为提高系统的控制性能，应采用速度闭环控制，因此需要检测感应电机的转速。传统的电机转速检测装置多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器。这些速度传感器的安装不仅增加了设备的硬件投资，而且还存在着安装与维护困难的缺点；同时机械上的误差还将影响检测精度与控制性能，导致系统可靠性下降；此外速度传感器不适用于潮湿、粉尘等恶劣环境。所以无速度传感器感应电机控制研究多年来一直受到高度重视。5. 控制手段的全数字化随着高性能、高速度的微处理器和控制器的出现，各类电气传动装置的控制器已由模拟控制转向数字控制。全数字控制方式以微型计算机作为整个系统的核心，在尽可能少的硬件支持下，将复杂的思想用软件实现，既可以快速地计算结果，将结果进行综合比较、分析和显示，判断后作出最优选择，又可以对结果进行诊断，若发现故障能及时报警，适当地修改软件就可以改变系统的功能或提高性能，使系统的可靠性、可操作性、可维护性得以充实。在数字控制系统中，微处理器的运算速度对控制系统的性能影响很大，早期较为流行的方案是用单片机来构成全数字控制器。随着控制策略的发展，现代控制理论的引入以及无速度传感器的兴起，控制算法越来越复杂，一般单片机已难以承受，人们转而寻求性能更好的芯片。随着集成电路技术的发展，出现了数字信号处理器DSP，使这一问题基本得到解决。1.4 论文的主要工作及研究的意义感应电动机的直接转矩控制是目前交流驱动控制领域中最新的也是最有前途的控制方法，它以其简单的控制算法、对电机参数依赖性小、鲁棒性好等特点深受该领域学者专家的青睐。但此方法也有需要进一步改进和提高的地方，本文在分析直接转矩控制原理的基础上，对控制中的一些环节进行了改进和提高，主要工作如下：1. 使用模糊控制器优化逆变器的开关状态,以进一步提高系统的转矩响应和优化控制效果。2. 使用MATLAB/Simulink对整个控制系统进行仿真，验证1所提出的方案。3. 采用TI公司的面向电机数字控制领域的专用数字信号处理器TMS320LF2407A，搭建一个全数字化的模糊直接转矩控制实验系统。研究的意义：文章在保持传统直接转矩控制原有特点的基础上，通过引入模糊控制技术，改进了原有的控制效果，进一步提高了系统的转矩响应，减小了全数字化直接转矩控制系统中转矩和磁链的波动，从而提高了控制精度。本文的研究是基于全数字直接转矩控制的，并且以DSP芯片作为核心，这有助于此项技术的实际开发并最终形成产品。随着经济的发展，在诸多领域里利用高性能的交流调速逐步替代价格较高的直流调速是一个趋势。而直接转矩控制是高性能交流调速技术中潜力最大的一种，而且其控制方法本身非常适合全数字化实现，这一点正和现在飞速发展的电子技术相适应，所以本文的研究具有良好的现实意义。2 直接转矩控制基本理论直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相感应电机的数学模型和控制其各物理量，直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。传统的滞环型直接转矩控制算法通常有两种，一种是直接自控制(Direct Self Control, DSC)算法，它是 1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授首次提出的8，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。该算法在控制过程中所形成的磁链是六边形的。它的特点是：开关频率低，信号处理过程简单，鲁棒性强，在无缝六步操作时可充分利用直流母线电压，但同时它有相对较大的电流脉动。DSC算法的适用范围是大功率电机，低开关频率的场合。另外一种类似的滞环型直接转矩控制(Direct Torque Control, DTC)算法由日本的I.Takahashi和Noguchi教授于1985年提出。在性能上，它与直接自控制技术类似，只是直接转矩控制所得到的磁链轨迹为圆形。因此，与DSC算法相比，该算法的具有以下特点：开关频率更高，转矩脉动更小，电流谐波成分更少，但开关频率仍然可变。它主要适用于中、小功率的电机，开关频率较高的场合。2.1 异步电动机动态数学模型要实现高动态性能，必须充分研究电机的物理机理和动态数学模型。三相交流电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了建立数学模型，如下假设9：1. 电机定、转子三相绕组完全对称，即定子三相绕组的结构完全相同，空间位置彼此相差120电角度；转子的铁芯及绕组对极中心轴和极间轴完全对称；2. 电机定、转子表面光滑，无齿槽效应； 3. 电机气隙磁动势和磁感应强度在空间呈正弦分布； 4. 电机的的导磁系数为常数，铁心的涡流饱和及磁滞损耗忽略不计。在建立交流电动机的数学模型时，采用空间矢量的数学分析方法，使问题变得特别简单明了，图2.1是异步电动机的空间矢量的等效电路图10。图2.1 异步电动机空间矢量等效电路图由于电机的电压和电流都是在静止的坐标系中测量得到的，因而在静止的坐标系中描述电机的模型将非常方便。通过坐标变换，将三相异步电动机在三相静止坐标系上的电压方程变换到两相静止坐标系上的电压方程，可以简化模型及获得常参数的电压方程。将参考坐标系放在定子绕组上，即通常所用的坐标系。则定子电压矢量为：(2-1)其中：(2-2) (2-3)异步电动机的动态特性可由下述方程描述： (2-4)电机矢量形式的动态数学模型可描述如下 (2-5）(2-6) (2-7) (2-8)其中，、表示异步电动机的定子和转子电组；、分别表示定子和转子的自感及两者的互感；表示电机的电角速度。消去公式（2-5）至（2-8）中的和，可以得到以定转子磁链和为状态变量的感应电机的状态方程：(2-9)式中：，称为电机漏感系数。电机的电磁转矩可以表示为定子磁链和转子磁链的形式： (2-10)公式中的“”表示矢量积。此外，电磁转矩还可以用定子磁链和定子电流来表示，在坐标系下的电磁转矩方程为：(2-11)2.2 直接转矩控制理论2.2.1 异步电动机的磁链观测模型在直接转矩控制技术中，定子磁链的观测准确度直接影响系统的性能，可以说是DTC技术实现的关键。采用直接检测定子磁链的方法，存在各方面的条件限制，在实际系统中使用较少。常用的方法为间接测量，即通过易于测量的电机其他物理量(如定子电压、定子电流和转速等)，建立定子磁链的观测模型，在控制系统中实时地推算出定子磁链的幅值和相位。2.2.1.1 基于定子电压和电流的磁链观测模型(u-i模型)定子磁链可以根据式(2-5)推导出： (2-12)此观测模型只用到一个易于观测的定子电阻。式中的定子电压和定子电流也是易于确定的物理量，它们能以足够的精度被检测出来。计算出定子磁链后，再把定子磁链和测量所得的定子电流代入式(2-11)，就可以计算出电动机的转矩。此观测器用两个积分器便可计算定子磁链，但实现起来存在以下问题：1. 积分器存在漂移，为抑制零漂需引入反馈通道，反馈通道使输出信号幅值和相移减小，随电机转速和频率的降低，积分器误差较大。2. 随电机转速和频率的降低，的模值减小，由项补偿不准确带来的误差就越大。3. 电机不转时，无法按式(2-12)计算磁链，也无法建立初始磁链。u-i模型只有在被积分的差值，也就是的值较大时才能提供正确的结果。2.2.1.2 基于定子电流与转速的磁链观测模型(i-n模型)本文中，将直接给出两组磁链分量的方程组(2-13), (2-14)。 (2-13) (2-14）式中：为转子时间常数；为计算的定子电流；为转子角速度；漏感：。i-n模型受转子电阻、漏电感、主电感L的变化影响，它们随转速的变化而变化。2.2.1.3 基于定子电压、电流和转速的磁链观测模型(u-n模型)u-n模型根据定子电压和转速来获得定子磁链。其数学表达式如下: (2-9） (2-10) (2-11）u-n模型由定子电压和转速来获得定子磁链。它综合了u-i模型和i-n模型的优点，高速时电动机模型实际工作在u-i模型下，磁链实际上只是由定子电压和定子电流计算得到，由定子电阻误差、转速测量误差以及电动机参数误差引起的磁链误差在这个工作范围内将不再有意义。低速时，电动机模型实际工作在i-n模型下。但该模型结构复杂，实现较为困难。2.2.2 空间矢量PWM逆变器随着电力电子器件和微处理器的发展，脉宽调制(PWM)逆变器在电气传动中得到了越来越广泛的应用11。如何确定PWM逆变器功率器件的开关时间，有许多不同的技术，如应用较多的正弦脉宽调制及相对较新的空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)等。而在众多的脉宽调制技术中，SVPWM是一种优化的PWM技术12，能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损耗，降低脉冲转矩，且其控制简单，数字化实现方便，电压利用率高，已有取代传统SPWM的趋势。从直接转矩控制的基础理论可以看出，它是针对电压型逆变器提出的一种控制策略，同时它把交流电动机和电压型逆变器作为一个整体来考虑，如图2.2所示。图2.2 三相电压型逆变器设施加于电机上的三相电压为其中，、分别为三个桥臂对直流中点的电压，、分别为电机的每相定子绕组电压，为电机定子绕组中点与直流中点之间的电压。则电机的定子电压空间矢量的Park矢量变换的表达式为：(2-18)上图中的逆变器主电路是由全控型器件(GTO, GTR或IGBT )构成的两点式电路。对180导通电压型逆变器来说，同一桥臂的上下两个开关器件是互锁动作的。所以桥臂中点对地电压只能取两个值，Vdc/2或-Vdc/2。用一个开关函数来表示的话，则有：(2-19)式中，Sa、Sb、Sc为两状态量，Sa=1表示A桥臂上管导通，Sa=0表示A桥臂下管导通，其余以此类推。故只有23=8个状态。即，分别记作，其中（即）为6个非零矢量，各非零电压矢量的幅值均为，而和(即和)分别表示A、B、C三相上桥臂或下桥臂同时导通，相当于把电机三相绕组短接，故称为两个零矢量。在平面上，各电压矢量的空间分布如图2.3所示4：图2.3 空间电压矢量分布图根据公式(2-12)，忽略定子绕组的电压降，则电机定子磁链可表示为：也就是说，定子磁链的运动方向基本是沿着进行的，其运动速度的快慢由电压幅值来确定：当三相桥臂中点电压为正负180方波时，磁通轨迹为六边形。当合理地选择非零矢量的施加顺序及时间比例，可形成多边形磁通轨迹，亦即逼近圆形轨迹。当多边形的边数大于40时，可以认为磁链轨迹近似为圆形。2.2.3 磁链和转矩闭环控制原理异步电动机磁链和电压之间的关系是非常复杂的，因此用传统的PI调节器来控制磁链是很困难的。在最初提出的直接转矩控制系统中，磁链和转矩都是通过双位模拟调节器来控制的，其基本思路是给定一个磁链圆形环误差带，通过不断选取合适的电压矢量，强迫的端点不超过误差带，于是就控制了定子磁链。为确定各电压矢量作用区间，沿逆时针方向把整个圆周分为六个扇区，如图2.4所示，每个扇区内的磁链轨迹由该扇区所对应的两个电压矢量来形成。对于逆时针磁链，如扇区1(-3030)，可以由，形成，扇区2(3090)，可以由，形成等等。这样通过选择合理的误差带及电压矢量，即可控制定子磁链的大小和方向。图2.4 扇区分布图对转矩的控制是通过引入零矢量来实现的。感应电机的转矩表达式为： 由上式可以看出，在维持磁链恒定的情况下，电机的电磁转矩和磁链角近似成正比。引入零矢量相当于定子磁链保持不动，而转子磁链由于惯性继续运动，这样就改变了磁链角，达到改变转矩的目的。交替使用零、非零矢量，磁链矢量走走停停，即可控制转矩的动态特性及稳态特性，零矢量的施加频率受器件开关频率的限制，对转矩的脉动影响较大。现在以在扇区1时为例说明8个基本电压矢量对转矩和磁链的控制。使用电压矢量、和可以增大定子磁链，而使用、则会减小磁链；同时若使用、会增大电磁转矩，使用、会减小转矩，当然，使用零矢量、也可以减小转矩，但不会改变定子磁链。另外和的选取是根据最少开关次数的原则进行的，其余各扇区的电压矢量可用类似的方法推出。这样就可以根据磁链和转矩的误差信号以及定子磁链的所在区间来设计一张开关表，并通过此开关表从8个基本空间电压矢量来选择一合适的电压矢量来控制电机。图2.5是直接转矩控制算法的基本框图。图2.5 直接转矩控制算法的基本框图由图可以看出，在传统的直接转矩控制中，主要包含转矩和磁链两个闭环控制环节。通过检测定子的电流、电压，直流母线电压和电机转速，通过3/2坐标变换，然后进行定子磁链观测和转矩计算，使二者分别与定子磁链给定和转矩给定相减，其差值又分别通过各自的滞环比较而输出转矩和磁链的增、减信号，把这2个信号输入优化的矢量开关表，再加上定子磁链所在的扇区位置，就得到了满足磁链为圆形、转矩输出跟随转矩给定的基本电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。2.2.4 磁链和转矩控制性能分析2.2.4.1磁链控制性能分析根据公式(2.5)，为方便分析，忽略定子电阻，可得： (2-20)将上式离散化，可得： (2-21)式中，为采样周期。在全数字化系统中，由于采样周期是固定的，磁链的波动范围也是一定的，是一个与采样周期成正比的量。采样周期越短，磁链的波动范围就会越小。用矢量三角形的方法描述上式13，如图2.6，我们可以大概估算一下磁链的波动范围。图2.6 定子磁链和电压矢量关系简图图中，为电压矢量和磁链矢量的夹角。通常，采样周期为几十至几百微秒，所以一下关系成立： (2-22)由图2.6及上式条件易知， (2-23)由上式不难发现，当为零时，取最大值，即： (2-24)若假定采样周其为100，直流母线电压为560V，定子磁链为1.1Wb，则： (2-25)上式表明，磁链幅值的波动是比较小的，当缩小采样周期时，磁链波动还可以进一步减小。磁链控制得越好，电流谐波就会越小，转矩的脉动也会越小，从而就会得到更好的系统性能。另外由公式(2-23)可以得到以下结论：1. 当所施加的电压矢量与当前磁链矢量之间的夹角的绝对值小于90时，该电压矢量作用的结果使得磁链幅值增加；2. 当两者之间的夹角的绝对值大于90时，该电压矢量作用的结果使得磁链幅值减小；3. 当两者之间的夹角的绝对值等于90时（包括零矢量），该电压矢量作用的结果使得磁链幅值基本保持不变。2.2.4.2 转矩控制性能分析在直接转矩控制系统中，转矩的控制是最重要的，下面对其性能进行分析。对公式(2-11) 两边取微分，在同乘以得： (2-26)再根据公式(2-5)(2-9)，可以推导以下公式： (2-27)公式(2-27)中，、及在一个采样周期内的变化相对于外加的激励电压的变化可以忽略不计。也就是说影响瞬间转矩变化的主要因素是。在直接转矩控制中，只需在一拍内实现有明确的突变，就可使转矩迅速变化，这一点是传统矢量控制无法做到的。由公式(2-27)不难看出，当和垂直时，转矩响应是最快的。但是由于二者之间的关系比较复杂，而定子磁链和的关系比较简单，在直接转矩控制系统中是对进行直接控制的。这就要求和的相角和幅值都不能相差过大，否则就会造成控制失败，其关键就在于定子电流的控制。通常当限制时，由于漏磁通降落很少，所以此时定子磁链和转子磁链无论在相位还是幅值上均很接近，即。将代入公式(2-27)得： (2-28)从这个动态转矩公式可以知道，施加的电压矢量与当前定子磁链垂直时，能够得到最大的转矩变化量。但对于电压型逆变器来说，在传统的直接转矩控制系统中可供选择的电压矢量只有8个，每一时刻都按垂直磁链方向90施加电压矢量是不可能的，但可以选择包含这个90方向矢量的两个非零矢量之一，从综合的效果来看，是没有区别的。另外，单纯从上式不难得出以下结论：1. 当施加超前于定子磁链的矢量，使得时，转矩将会增加；2. 当施加落后于定子磁链的矢量，使得时，转矩将会减小。事实上，直接转矩控制技术基本的控制方法就是通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度，从而改变定子、转子磁链的夹角，以达到控制电磁转矩的目的。2.3 传统直接转矩控制算法的实现传统的直接转矩控制算法中最关键的是设计一张开关表，该开关表是根据转矩偏差、定子磁链偏差以及定子磁链所在的位置来选择适当的空间电压矢量。2.3.1 转矩偏差的确定从图2.5可以看出，转矩给定是由转速偏差经过一个PI调节器来获得的。定义转矩偏差为当时，取=1；当时，取=-1；当时，取=0；其中，转矩滞环比较器的滞环宽度为。2.3.2 磁链偏差的确定定义转矩偏差为当时，取=1；当时，取=-1；当时，取=0；其中，磁链滞环比较器的滞环宽度为。本文中令=0，则上式变为：当时，取=1；当时，取=0。2.3.3 开关表的确定根据上述对定子磁链控制原理和转矩控制原理的分析可知，直接转矩控制的关键是根据磁链和转矩的要求合理地选择电压空间矢量。也就是将转矩和磁链两个调节器结合起来，根据磁链所在扇区共同控制逆变器的开关状态，既要保证异步电机的定子磁链在给定的范围内变化，又要保证电机输出转矩快速地跟随给定变化，使系统获得良好的动态性能。但是在直接转矩控制中，没有一种电压空间矢量能够满足实际转矩准确达到给定值的同时也能够满足实际磁链准确跟随给定磁链。根据图2.7所示的定子磁链、转矩和电压矢量的关系，在图中所示的位置，该扇区是第1扇区，在电机逆时针旋转的时候，对磁链和转矩的作用表述如下：(1)使磁链增加的电压空间矢量为：、；(2)使磁链减小的电压空间矢量为：、；(3)使转矩增加的电压空间矢量为：、；(4)使转矩减小的电压空间矢量为：、。可以得到如下结论：当电机逆时针旋转时，当要求转矩增大时，可在、几个电压空间矢量中根据当前磁链的情况选择某个电压矢量；当转矩给定值减小或负载转矩减小时，可以在、几个电压矢量中根据当前磁链的情况选择某个电压矢量使电磁转矩快速跟踪其变化。图2.7 定子磁链、转矩和空间电压矢量的关系同时我们可以看到，在同一个扇区的不同位置同一个电压空间矢量对定子磁链和转矩的影响程度是不太一样的。为了分析其影响，在1扇区假设三点A、B、C，其中B点正好位于电压空间矢量的轴线上，也就是扇区1上半区和下半区的分界线，当电机逆时针旋转时，同一电压矢量在不同位置对定子磁链和转矩的作用如下：(1)对于电压空间矢量，当它从A点运动到B点的过程中磁链增加变强，转矩增加作用变弱；从B点到C点的过程中，磁链反方向，磁链增加由最强变弱，转矩减小变强；(2)对于电压空间矢量，当它从A点运动到C点的过程中磁链增加变强，转矩增加变弱；(3)对于电压空间矢量，当它从A点运动到C点的过程中磁链减小变弱，转矩增加的作用变强；(4)对于电压空间矢量，当它从A点运动到C点的过程中磁链减小变弱，转矩增加的作用变强；(5)对于电压空间矢量，当它从A点运动到C点的过程中使磁链反向，磁链减小变强，转矩减小的作用变弱；(6)对于电压空间矢量，当它从A点运动到C点的过程中使磁链反向，磁链增加变弱，转矩减小的作用变强；(7)对于、零电压空间矢量，当它从A点运动到C点的过程中使磁链不变，转距减小。根据上面对同一个扇区不同电压矢量和在同一个扇区的不同位置同一个电压空间矢量对磁链和转矩作用的分析，可知磁链响应的准确性较转矩响应的准确性更易保持，因此在选择控制规则的时候，当转矩和磁链两者的要求产生矛盾时应首先考虑转矩，在确保转矩动态响应的同时兼顾定子磁链的圆形轨迹。表2.1 直接转矩控制系统中电压矢量选择表同理，对于其它扇区的情况，也可以用同样的方法来分析。这样就可以根据转矩偏差和定子磁链偏差以及定子磁链角来设计一张开关表，如表2.1所示,并通过此开关表从8个基本空间电压矢量中选择一合适的电压矢量去控制电机。3 基于模糊控制器的直接转矩控制系统传统直接转矩控制采用滞环的方式比较磁链和转矩同给定值之间的偏差，并依据比较的结果，通过查表选择逆变器开关状态，进而生成基本电压空间矢量，虽然其转矩的动态响应快，但存在转矩、磁链和电流脉动大，逆变器开关频率不恒定等缺点。为此，各国学者探索新的方法来改善传统DTC存在的转矩脉动等问题14。作为一种智能控制方法，模糊控制无需知道控制对象准确的数学模型，而按照人类的知识、经验去构造控制规则。从九十年代中后期开始，各国学者已经将模糊逻辑技术成功地运用于直接转矩控制中。其中简单和典型的算法是用模糊逻辑控制器来代替传统DTC中的转矩和磁链滞环控制器，去选择8个基本空间电压矢量，这样可以得到更优化的开关表，以实现对转矩的实时控制，从而进一步改善感应电动机直接转矩控制系统的动态和稳态特性，减小转矩脉动。下面在描述模糊逻辑控制器的原理的基础上，对该系统进行了详细地分析。3.1 模糊控制理论简介3.1.1 模糊控制的基本原理自从美国的扎德(L.A.Zandeh)教授于1965年提出模糊集合的概念以来，模糊集合理论发展十分迅速，并在许多领域中获得了应用。1974年，英国教授曼达尼(E.H.Mamdani)首次用模糊逻辑和模糊推理实现了第一台实验性蒸气机的控制，开始了模糊控制在工业中应用的先例。模糊控制是用语言归纳操作人员的控制策略，运用语言变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制方式。模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，只要求把现场操作人员的经验和数据总结成较完善的语言控制规则，因此它能绕过对象的不确定性、不精确性、噪音以及非线性等的影响。模糊控制器的基本结构如图3.1所示。图3.1 模糊控制器的基本结构模糊控制器主要由以下四部分组成1516：1.模糊化这部分的作用是将输入的精确量转化成模糊化的量。常见的情况是计算e=y*-y和de/dt，其中y*表示参考输入，y表示系统输出，e表示误差。将上述己经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围。将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。 2.知识库它通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，尺度变换因子和模糊空间的分级数等。规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识。3.模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系以及推理原则来进行的。4.清晰化清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量（模糊量）变换为实际用于控制的清晰量。3.1.2 模糊控制器设计的基本方法为实现模糊控制，语言变量的概念可作为描述手动控制策略的基础，并在此基础上发展了一种新型的控制器：模糊控制器。在模糊控制中，模糊控制器的作用在于通过计算机，根据由精确量转化来的模糊输入信息，按照总结手动控制策略取得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，再将其转化为精确量。可见，模糊控制器体现了模糊集合理论、语言变量及模糊推理在不具有数学模型，而控制策略只有以语言形式定性描述的复杂被控过程中的有效应用。具有模糊控制器的系统框图如图3.2所示：图3.2 模糊控制系统结构框图要设计的模糊控制器必须解决以下三个问题：1. 精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子集；2. 模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系；3. 输出信息的模糊判决，并完成由模糊量到精确量的转化。基本模糊控制器的设计步骤如下：1. 精确输入量的模糊化通常控制是用系统的实际输出值与设定的期望值比较，得到一个偏差，控制器根据这个偏差来决定如何对系统加以调整控制，甚至要用到偏差的变化率来综合判断。要用模糊控制技术就必须把他们转换为模糊集合的隶属函数。每一个输入值都对应一个模糊集合，为了便于工程实现，通常输入量的隶属函数可采用钟形、梯形和三角形，理论上钟形最为理想但计算复杂，为了简化计算实践中常采用三角形，然后是梯形。根据输入量的变化范围把其分为若干等级，每个等级作为一个模糊变量，并对应一个模糊子集合或者隶属函数。一般可分为3、5或者7个等级，比如分为7个等级：“正大”（PB）、“正中”（PM）、“正小”（PS）、“零”（Z）、“负小”（NS）、“负中”（NM)和“负大”（NB）。2. 模糊控制算法设计：模糊规则的形成和推理模糊规则的形成是根据有经验的操作者或专家的控制知识和经验制定出若干模糊控制规则，为了能存入计算机，还必须对它进行形式化数学处理。这些规则可以用自然语言来表达，再模仿人的模糊逻辑推理过程，确定推理方法，这样计算机就可以用模糊化的输入量，根据制定的模糊控制规则和事先确定好的推理方法进行模糊推理并得到模糊输出量，即模糊输出隶属函数。根据模糊集合和模糊关系理论，模糊控制器最常用的规则形式是“If A and B Then C类型，可以写为如下形式：If A1 and B1 ，Then C1 ；If A2 and B2 ，Then C2 ； . . . . . . . . .If An and Bn，Then Cn ； 那么输出控制量，即：由此，如果知道输入A、B和输出控制量U，就可以求得它们的模糊关系R；反之，若知道模糊关系R，就可根据输入量A和B求得输出控制量U。3. 精确输出量的解模糊判决经过模糊推理得到的控制输出是一个模糊隶属函数或者模糊子集，反映了控制语言的模糊性，这是一种不同的取值组合。然而在实际应用中要控制一个物理对象，只能从模糊输出隶属函数中找出最能代表这个模糊集合即模糊控制作用可能分布的精确量，这就是解模糊判决。从数学上讲，就是一个从输出论域所定义的模糊控制作用空间的精确控制作用空间的映射。目前最常用的解模糊的方法为：1. 最大隶属度法这个方法是在模糊集合中选取隶属度最大的论域元素为判决结果，如果在多个论域元素上同时出现隶属度最大值，则取它们的平均值作为判决结果。 2. 最大隶属度平均法这种方法是要找出能代表所有隶属函数达到的最大的局部控制作用的平均值。在输出离散值集合的情况下，控制作用可以用下式表示：这里，是隶属函数达到最