宋志鵬，潘 峰，王敬思，高正杰

（太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

近年來，直接轉矩控制（DTC）感應電機作為具有快速、良好動態(tài)轉矩響應和磁場定向控制技術而被廣泛使用。DTC方案，基本結構包括控制器、轉矩觀測器、磁鏈觀測器和電壓源逆變器（VSI）。該結構簡單且多用于啟動轉矩大、轉矩動態(tài)反應要求比較快的場合。

1986年直接轉矩控制技術被引進國內，在大量文獻中主要討論如何提高系統(tǒng)的性能，其中一種方法是使用模糊邏輯控制器（FLC），該控制器可以提高傳統(tǒng)直接轉矩控制的電磁轉矩脈動問題。模糊邏輯在直接轉矩控制的低轉速區(qū)域進行電阻補償，比傳統(tǒng)DTC提高了精度。但是，它需要遵循許多的規(guī)則以提高精度，還需要很長的計算時間。本文提出了減少轉矩脈動的模糊PI控制器，并對其進行仿真分析。

1 傳統(tǒng)的DTC感應電機驅動器

傳統(tǒng)的直接轉矩控制驅動器包括一對滯后比較器、定子磁鏈和轉矩觀測器、電壓矢量開關表和一個電壓源逆變器（VSI），如圖1所示。其中，｜｜為磁鏈參考值，｜Ψs｜為磁鏈觀測值，ΔΨs為磁鏈誤差，為轉矩參考值，Te為轉矩觀測值，ΔTe為轉矩誤差，ρz為定子磁鏈區(qū)間判斷信號。

在傳統(tǒng)的直接轉矩控制（DTC）中，電壓源逆變器中的開關狀態(tài)控制定子磁鏈的調節(jié)量和電機的輸出狀態(tài)，這種適當?shù)拈_關狀態(tài)由最佳的三維狀態(tài)轉換表決定，其中磁通和轉矩滯后比較器的輸出以及空間電壓矢量位置的輸出作為三維狀態(tài)轉換表的輸入。通過選擇最佳的電壓矢量開關，切換適當?shù)碾妷菏噶?，使得定子磁鏈的調節(jié)量在它們容差范圍內變化，且能使電機輸出轉矩快速跟隨給定值變化，從而使調速系統(tǒng)有較高的動態(tài)性能。

圖1 傳統(tǒng)直接轉矩控制驅動器

2 AC4Simulink模型

AC4模型是一個200HP DTC的感應電機驅動模型，如圖2所示。DTC感應電機驅動模型是圖1結構框架中的重要組成部分，包含有速度調節(jié)器、電壓源逆變器（VSI）和感應電動機（IM）。

圖2 感應電機驅動模型

3 基于模糊PI的轉矩控制器

在圖2中包含磁鏈調節(jié)器和轉矩調節(jié)器。本文的目的是減少轉矩脈動，因此只在轉矩調節(jié)器中加入了模糊PI控制器。

在感應電機驅動模型內部模塊中，DTC感應驅動器的輸入分別為轉矩參考值和磁鏈參考值｜｜，通過遲滯比較器計算輸出轉矩值和磁鏈值。圖3為轉矩和磁鏈的調節(jié)器。

圖3 傳統(tǒng)的轉矩和磁鏈調節(jié)器

在圖3（a）中加入模糊PI控制器，構成模糊PI轉矩調節(jié)器。圖4為模糊PI轉矩調節(jié)器仿真模型，圖5為模糊PI轉矩調節(jié)器的結構框圖。其中，G1為轉矩誤差比例放大系數(shù)，G2為轉矩誤差變化率的比例放大系數(shù)，G3為控制信號比例放大系數(shù)，TEn＝G1·TE，dTEn＝G2·dTE，dTcn＝G3·dTc。

由圖5可以看出，模糊PI控制器有兩個輸入，一個是轉矩誤差信號TE＝－Te，一個是轉矩誤差改變率dTE。兩個輸入在輸入模糊控制器之前都加入了比例環(huán)節(jié)G1和G2，以使控制器獲得更好的輸入數(shù)據(jù)。

控制器的輸出是控制信號變化量dTc，實際的變化量dTcn的獲得是通過增加了控制信號變化增益G3獲得的。

在模糊PI控制器中，將輸入精確量的取值范圍定義成模糊語言變量的論域，在論域上將模糊語言變量離散化，分為7個模糊子集，如表1所示，每一個模糊子集確定一個隸屬度函數(shù)。表2為模糊控制規(guī)則表，模糊控制規(guī)則表的制定是在仿真結果中不斷學習和修正得到的。

圖4 模糊PI轉矩調節(jié)器仿真模型

圖5 模糊PI轉矩調節(jié)器的結構框圖

表1 模糊子集

表2 模糊控制規(guī)則表（dTc）

4 仿真結果分析

在傳統(tǒng)的DTC和以模糊PI為基礎的轉矩控制器的仿真圖中所用的感應電機的參數(shù)見表3，仿真結果見圖6、圖7。從圖6中可以看出傳統(tǒng)DTC產生的波峰和波谷之間的紋波差值為220Nm；而圖7中基于模糊PI控制器的轉矩紋波中波峰和波谷之間的差值為80Nm，因此該電磁轉矩的脈動紋波減小了。

表3 感應電機參數(shù)

圖6 經典直接轉矩控制的轉矩波形

圖7 模糊PI控制的轉矩波形

5 結論

在傳統(tǒng)DTC中，低速轉矩脈動問題和器件開關頻率的差異是兩個主要的問題。本文提出了減少轉矩脈動的模糊PI控制器。雖然轉矩增量的增益參數(shù)仍然需要討論，但在本文中感應電機低速運行時轉矩的脈動減少是非常明顯的，所以基于模糊PI轉矩控制器可最大限度地減少轉矩脈動。

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