辛 麗，佘雙翔，許志偉

（1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014；2.湖南工程學院，湖南湘潭411101）

基于智能算法的直接轉矩控制系統(tǒng)仿真研究

辛 麗1，佘雙翔1，許志偉2

（1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014；2.湖南工程學院，湖南湘潭411101）

本文闡述了風力發(fā)電機組用雙饋異步電機直接轉矩控制（DTC）系統(tǒng)的基本原理、結構及特點，采用動態(tài)仿真工具MATLABSIMULINK建立DTC系統(tǒng)的通用模型并驗證其正確性。針對傳統(tǒng)滯環(huán)Band-Band控制方法的不足，本文采用模糊神經(jīng)智能算法來改進DTC系統(tǒng)，設計了模糊控制器并進行仿真對比分析，結果表明模糊控制能進一步改善DTC系統(tǒng)性能，具有一定的理論價值和參考意義。

直接轉矩控制系統(tǒng)；模糊控制；建模；仿真

引言

作為風力發(fā)電機組系統(tǒng)中的核心部分，驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)的性能對機組的綜合表現(xiàn)有著最直接的影響。異步電機具有結構簡單、運行可靠、轉矩脈動小、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，其控制技術主要有轉差頻率控制、矢量控制（VC）和近幾年發(fā)展起來的直接轉矩控制（Direct Torque Control，簡稱DTC）。

直接轉矩控制省去了矢量控制中的解耦過程，采用空間矢量分析方法，把轉子磁通定向變換為定子磁通定向，控制定子磁鏈的幅值以及該矢量相對于轉子磁鏈的夾角，借助離散兩點式調(diào)節(jié)（Band-Band控制）產(chǎn)生控制信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，獲得高動態(tài)性能。直接轉矩控制具有手段直接、結構簡單、靜態(tài)性能穩(wěn)定、動態(tài)響應迅速的特點，因此非常適合風力發(fā)電機的控制。[1～4]

本文采用MATLABSIMULINK建立通用的異步電機DTC系統(tǒng)的仿真模型，并對系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)特性仿真，驗證了仿真模型的正確性。同時，為改進傳統(tǒng)DTC的缺點，提高轉矩性能，抑制低速脈動，本文將在智能算法的理論基礎上設計模糊神經(jīng)控制器，利用通用模型進行仿真，對比分析其效果。

1 直接轉矩控制

DTC系統(tǒng)一般由坐標變換磁鏈觀測計算單元、轉矩調(diào)節(jié)單元、磁鏈調(diào)節(jié)單元、磁鏈位置判斷單元、轉速調(diào)節(jié)器、開關信號選擇單元、逆變器單元幾個部分組成。

2 模糊控制器的基本理論及設計

為了實現(xiàn)對轉矩和磁鏈的解耦，傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)中轉矩和磁鏈獨立的調(diào)節(jié)一般采定子用兩值bang-bang控制形式的滯環(huán)比較器來完成，而系統(tǒng)控制策略的核心是選擇恰當?shù)碾妷菏噶恳员ＷC轉矩和磁鏈在容差范圍內(nèi)。故傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)不可避免地存在轉矩響應滯后、轉矩脈動大等缺點。為了改善直接轉矩控制的性能，本文在智能算法的理論基礎上設計模糊神經(jīng)控制器來改善直接轉矩控制的性能。

2.1 模糊控制原理

模糊邏輯在控制領域中的應用稱為模糊控制，它能將操作經(jīng)驗和知識表示成語言描述的控制規(guī)則去控制系統(tǒng)。最基本的模糊控制器包括模糊化、模糊推理、清晰化三個主要功能模塊。

2.2 模糊控制器設計

2.2.1 模糊變量

式中Ψsα ，Ψsβ是α，β坐標系下的定子磁鏈，θ可用六個語言變量值θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6來描述。

（2）模糊變量EΨs計算公式：

（1）模糊變量θ及其錄屬度公式：

我們可以用四個語言變量描述定子磁鏈變化，定子磁鏈快速增加為正大（PL），緩慢增加為正?。≒S），緩慢減小為負?。∟S），快速減小為負大（NL）。

（3）模糊變量ET計算公式：

下面用三個語言值來表征電機電磁轉矩的變化，轉矩增加為正（P），轉矩變化較小為零（Z），轉矩減小為負（N）。

（4）控制變量

由于逆變器的開關狀態(tài)U作為模糊控制器的控制變量，故模糊控制變量相應地有八個語言值ui（i=0，…，7），即U的錄屬函數(shù)為：

2.2.2 模糊控制規(guī)則

作為DTC系統(tǒng)模糊控制器的核心，其第i條規(guī)則可以用下列語句表達：

Ri：If EΨSis Ai，ETis Biand θ is Ci，Then U is ui

2.2.3 模糊決策

經(jīng)過Mansdani的最小運算規(guī)則轉化得出的第i條控制決策見式（5）：

基于模糊控制器的直接轉矩控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于模糊控制器的直接轉矩控制框圖

3 DTC系統(tǒng)建模

根據(jù)異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)結構，采用動態(tài)仿真工具MATLABSIMULINK可建立相應的系統(tǒng)仿真模型見圖2。

圖2 直接轉矩控制的系統(tǒng)仿真模型

模型中磁鏈調(diào)節(jié)單元用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)對磁鏈幅值的直接自控制，對磁鏈幅值進行兩點式的調(diào)節(jié)，其仿真模型圖3所示。

圖3 磁鏈調(diào)節(jié)單元仿真模型

4 DTC系統(tǒng)仿真分析

本節(jié)將對傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)以及模糊控制DTC的穩(wěn)態(tài)運行特性進行仿真分析。仿真實驗時所用到的三相異步電機額定容量為7500VA，額定電壓為400V，頻率為50Hz，控制磁通為0.72Wb，額定轉矩為10N·m，速度參考值設為1000r/min，負載轉矩設為10N·m，通過更換控制子模塊，相同工況下傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)和模糊控制DTC系統(tǒng)的仿真對比結果如圖4～6所示（左為傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)，右為模糊控制DTC系統(tǒng)）。

圖4 磁鏈波形

圖5 啟動時轉矩響應對比圖

圖6 穩(wěn)態(tài)時轉矩響應對比圖

仿真結果驗證了本文所建仿真模型的正確性，模型可直接觀測電機各種運行參數(shù)，能夠滿足系統(tǒng)的測試要求，實現(xiàn)了磁鏈和轉矩的直接控制。從對比分析中可以看出模糊控制可以使得磁鏈的抖動范圍縮小，具有啟動轉矩的響應加快，啟動轉矩脈動明顯減少的優(yōu)點，穩(wěn)態(tài)運行時在抑制轉矩脈動方面也收到了一定成效。

5 結論

本文在分析異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)的基礎上，建立了DTC系統(tǒng)通用仿真模型，該模型具有良好的兼容性，只需修改其中的子系統(tǒng)模塊，即可在此基礎上進行本文所設計的模糊控制DTC系統(tǒng)的仿真方法方面的研究。對比分析表明將智能控制理論引入直接轉矩控制中，能夠較大程度改善感應電動機直接轉矩控制系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)魯棒性，對后續(xù)智能控制策略的引入具有很大參考價值。

[1]李 夙.異步電動機直接轉矩控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2]張春梅，爾桂花.直接轉矩控制研究現(xiàn)狀與前景[J].微電機，2000，33（6）：25～28.

[3]何映輝，李平康.異步電動機直接轉矩控制系統(tǒng)的Simulink仿真[J].鐵道機車車輛，2005，25（2）：13～17.

[4]Jabeur-Seddik C.B.，F(xiàn)naiech F.Hysteresis and fuzzy based nonlinear controllers for a direct torque control of an induction machine IEEE International Conference on Industrial Technology，2005，1：38～43Vol.1.

TP273.5

A

2095-2066（2016）36-0025-02

2016-12-1

辛 麗（1982-），女，工程師，從事風電工程電氣設計及電機傳動系統(tǒng)研究。