高圣偉，蔡 燕，汪友華，張 闖

（1.天津工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院，天津 300160；2.河北工業(yè)大學 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130）

轉矩滯環(huán)幅值可調的直接轉矩控制方法研究

高圣偉1，2，蔡 燕1，汪友華2，張 闖2

（1.天津工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院，天津 300160；2.河北工業(yè)大學 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130）

通過對轉矩脈動的原因進行分析，得出低速運行時轉矩滯環(huán)的幅值和轉矩脈動直接相關，速度誤差信號的變化是判斷電機轉矩脈動的一個很好的指標；同時提出一種模糊邏輯控制器，以速度誤差信號和電流信號的變化率為輸入，以轉矩滯環(huán)振幅增量為輸出，能動態(tài)地調節(jié)轉矩滯環(huán)幅值.仿真結果表明：含有模糊邏輯滯環(huán)調節(jié)控制器的直接轉矩控制系統(tǒng)能夠減少電機運行過程中的轉矩和磁通脈動，同時提高直接轉矩控制系統(tǒng)在低速運行條件下的工作性能.

模糊邏輯；轉矩滯環(huán)；直接轉矩控制

直接轉矩控制（以下簡稱DTC）的優(yōu)點是轉矩動態(tài)響應快、對轉子參數的變化具有一定魯棒性等，不足之處表現為存在轉矩脈動，低速運轉時表現更為明顯.針對該問題，人們已提出一些解決方法：一種方法是采用較高的逆變器開關頻率[1]，其優(yōu)點是降低了定子電流諧波含量，減小了轉矩脈動，但增加了功率損失，降低了逆變器工作效率，同時要求逆變器具有高頻開關特性等；另一種方法是采用2個并行連接的逆變器生成多個非零電壓矢量[2]，該方法在一定程度上解決了轉矩脈動問題，但逆變器結構變得復雜，而且需要監(jiān)視Delta連接中的零相序電流.還有多電平逆變方法[3]和空間矢量調制（SVM）方法[4].前一種方法的成本和復雜性會增加，而后一種方法的轉矩脈動和磁通脈動可以減少，但會改變開關頻率.本文通過轉矩脈動分析得到轉矩脈動直接與滯環(huán)邊界幅值有關，并基于模型參考自適應控制器（MRAC）的結構，以速度誤差信號的變化為基礎測量電機轉矩脈動特性，最終采用非固定的轉矩滯環(huán)幅值模糊控制器，根據轉矩脈動水平，再通過模糊控制方法決定轉矩滯環(huán)的幅值，以達到較小轉矩脈動的目的.本文提出了一種帶有模糊邏輯滯環(huán)調節(jié)控制器的直接轉矩控制方法，改變了以往控制方法中設置固定轉矩滯環(huán)幅值的弊端，可以動態(tài)地調節(jié)轉矩滯環(huán)幅值.實驗結果表明：在低速運行時，該方案能有效地減小轉矩脈動，得到很好的轉矩控制性能.

1 轉矩脈動分析

有關感應電動機直接轉矩控制原理的詳細論述，請參考文獻[1-2].在傳統(tǒng)的DTC方案中，若設定逆變器開關頻率為f，開關周期可以表示為t＝1/f.在整個開關周期內，所選擇的電壓矢量一直作用于感應電動機，定子電流、轉矩等參數值始終沿著一個方向變化.在轉矩誤差較小的情況下，所選擇的電壓矢量使轉矩在一個開關周期的較短時間內就達到參考值，由于滯環(huán)寬度是固定的，并且余下的時間沒有發(fā)生逆變器開關狀態(tài)轉換，所以選擇的電壓矢量一直作用于電動機，使轉矩繼續(xù)沿原來的方向變化，于是產生較大的轉矩脈動.由分析可知轉矩表現出一種直接與滯環(huán)邊界幅值有關的脈動，這種脈動在電機低速運行狀態(tài)下尤其突出.

當使用高開關速度的半導體設備的時候，可以適當的減小滯環(huán)寬度，但是由于功率器件的熱限制，滯環(huán)必須足夠大來限制逆變器開關頻率低于某一水平.由于滯環(huán)是用來處理突發(fā)的最壞情況，很小的固定滯環(huán)寬度也會使系統(tǒng)性能在一定的操作范圍內不可避免的退化，特別是在低轉速區(qū)域.

本文提出的基于模糊邏輯的轉矩滯環(huán)幅值可調控制器，它以速度誤差信號和電流信號的變化率為輸入，以轉矩滯環(huán)振幅增量為輸出，根據電機運行狀態(tài)動態(tài)地調節(jié)轉矩滯環(huán)幅值bT，使得磁通和轉矩脈動減小，從而提高DTC系統(tǒng)的工作性能.

2 減小轉矩脈動對策

在靜止的定子坐標系中，異步電動機產生的電磁轉矩Te可以通過式（1）表示：

根據電機模型.定子磁鏈矢量表示為：

式中：ψs為定子磁鏈的幅值；np為電機的極對數；Rs為定子電阻；ψsα、ψsβ、usβ、usα、isβ、isα分別為αβ坐標系中的定子磁鏈、定子電壓和定子電流值.

動態(tài)補償力矩可以表示為：

式中：Te為電機轉矩；J為目前該系統(tǒng)的瞬態(tài)慣性；Tload為轉矩負載.

從（4）式可得：速度誤差信號的變化確實是測量電機轉矩脈動的一個很好的方法和指標.

3 轉速估計

對于無速度傳感器的直接轉矩控制系統(tǒng)，速度觀測是重要的一環(huán).本文基于轉子磁鏈電壓模型和轉子磁鏈的電流模型之間的輸出誤差，采用模型參考自適應控制器（MRAC）的結構，利用閉環(huán)反饋控制來辨識轉速.

由異步電機數學模型可知，在αβ軸系下轉子磁鏈電壓模型與轉子旋轉角速度無關，而αβ軸系下轉子磁鏈電流模型與轉子旋轉角速度相關.根據反饋模型逆變換原理，可以用這兩個模型構造轉子磁鏈模型參考自適應控制器，通過對轉子磁鏈的反饋控制實現轉子速度辨識.其結構如圖1所示.控制器中調節(jié)器采用比例積分PI調節(jié)方式[5].

圖1 MRAC速度估計Fig.1 MRAC speed estimated

在圖1中，以αβ軸系轉子磁鏈電壓模型為參考模型得到轉子磁鏈參考值ψr*，其原理如（5）式所示.由αβ軸系轉子磁鏈電流模型為可調模型得到轉子磁鏈估計值ψr，其原理如（6）式所示.將電流模型置于反饋通道，由轉子磁鏈閉環(huán)控制方法辨識出旋轉角速度.

4 用模糊方法減少轉矩脈動

在本文中，轉矩滯環(huán)的振幅不是事先給定的，而是根據轉矩脈動水平通過模糊控制器決定轉矩滯環(huán)的幅值.模糊控制器的兩個輸入分別是速度誤差e1（k）和定子電流變化e2（k）.

通過模糊控制模塊，經過轉化后可以得到明確的輸出ΔbT（轉矩滯環(huán)振幅增量）并通過公式（9）可以得到轉矩滯環(huán)振幅，從而實現轉矩脈動ΔTe的抑制.

其工作方式如圖2所示.

圖2 轉矩滯環(huán)控制器Fig.2 Hysteresis torque controller

如果振幅bT設置的太小，超調量可能會觸及上層邊界，造成反向電壓矢量被選中.這個電壓在轉矩響應中將迅速減少轉矩造成欠調，因此轉矩脈動將居高不下.模糊控制器的設計主要是基于經驗和仿真.對于不同的電機轉速和電流值，選擇不同的轉矩滯環(huán)邊界以減少轉矩和磁通脈動，通過這一過程可以提取相應的控制規(guī)則ΔbT（e1；e2），對不同轉矩滯環(huán)值的系統(tǒng)進行仿真獲得的數據進行分析，可以得到控制規(guī)則，如表1所示.輸入e1（k）、e2（k）和輸出變化ΔbT（k）隸屬函數都選取等腰三角形分布形式，如圖3所示.

表1 轉矩滯環(huán)邊界控制器模糊規(guī)則ΔbTTab.1 Fuzzy rules of torque boundary hysteresis controller

圖3 輸入和輸出的隸屬度函數Fig.3 Input and output membership function

如果e1為NH或NM，并且e2為NH，則ΔbT為NH.這種情況對應于轉矩誤差有大的超調量.要減少轉矩誤差，ΔbT值應該減小.

如果e1為PH或PM，并且e2為PH，則ΔbT為PH.這種情況下，超調量會觸及造成反向電壓矢量被選中的上層環(huán).這將在轉矩響應中導致轉矩迅速減少，造成欠調并低于滯環(huán).因此，ΔbT不應過小，ΔbT應該為正以避免這種情況.

5 仿真結果分析

本文采用Matlab/Simulink軟件對含有和不含模糊控制器的異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)進行仿真.設定仿真模型工作在低速（10 r/s）狀態(tài)，負載轉矩為15 N/m，其他參數如表2所示，仿真結果如圖4和圖5所示.

從圖4可以看出，由于模糊控制器根據系統(tǒng)運行情況提供了理想的振幅bT，轉矩脈動大大減少.從圖5定子磁通的軌跡中可以看到，當使用模糊控制器時磁通軌跡脈動大幅減小.通過仿真結果比較，可以看出含模糊控制器的DTC的穩(wěn)態(tài)性能明顯優(yōu)于不含模糊控制器的DTC.

表2 異步電機額定參數表Tab.2 Induction motor rated parameter table

圖4 轉矩脈動波形Fig.4 Torque ripple waveform

圖5 定子磁通軌跡Fig.5 Stator flux trajectory

6 結束語

本文通過對轉矩脈動進行分析，提出減小轉矩脈動對策，其特點是模糊邏輯控制器和DTC相結合，其中模糊邏輯控制器以速度誤差信號和電流信號的變化率為輸入，以轉矩滯環(huán)振幅增量為輸出，能動態(tài)調節(jié)轉矩滯環(huán)幅值.仿真結果表明，該方法能有效地改善傳統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)低速運行條件下轉矩脈動的缺點.該方法為低速運行條件下減小電機轉矩脈動和噪聲提供了一個有效的運行方案.

[1] MIROSLAW Wlas．Artificial neural network based sensorless nonlinear control of induction motor[J]．IEEE Trans Energy Converse，2005，20（3）：520-527.

[2] BENAIDJA N．Identification of asynchronous machine parameters by evolutionary techniques[J]．Electric Power Components and Systems，2006，34（12）：1359-1376.

[3]HINKKANEN M，LUOMI K．Modified integrator for voltage model flux estimation of induction motor[J]．IEEE Trans Ind Elevtaon，2003，50（4）：818-820.

[4]LASCU C，BOLDEA I，BLAABJERG F．Variable-Structure direct torque control-a class of fast and robust controllers for induction machine drives[J]．IEEE Trans Ind Electron，2004，51（4）：38-45.

[5] MUSTAPHA Messaoudl．A robust sensorless direct torque control of induction motor based on MRAS and extended kalman filter[J]．Leonardo Journal of Sciences，2008，12（2）：35-56.

Research on torque hysteresis amplitude adjustable direct torque control method

GAO Sheng-wei1，2，CAI Yan1，WANG You-Hua2，ZHANG Chuang2
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China；2.Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

By analyzing the causes of torque ripple，the following conclusion can be gotten that the amplitude of torque

hysteresis is closely related to torque ripple at low speed.and the change of the speed error signal is a good indicator to determine the situation of motor torque ripple.A fuzzy logic controller has been proposed.The inputs of the controller are the speed error signal and the change rate of current signal.The output is incremental value of the torque hysteresis amplitude.Dynamic adjustment of the torque hysteresis amplitude is the ultimate goal.The simulation results show that the direct torque control system with hysteresis amplitude adjustment fuzzy logic controller can reduce the process of motor torque and flux pulsation，and improve the performance of low-speed operating conditions in direct torque control system.

fuzzy logic；hysteresis torque；direct torque control

book=3,ebook=92

TP273

A

1671－024X（2010）03－0058－04

2009-09-25 基金項目：天津市高等學?？萍及l(fā)展基金計劃項目（20071119）

高圣偉（1978—），男，博士研究生，講師.

汪友華（1964—），男，教授，博士生導師.E-mail：wangyi@hebut.edu.cn