采用模糊逻辑调节器的直接转矩控制感应电动机

宋志鹏，潘 峰，王敬思，高正杰

（太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

近年来，直接转矩控制（DTC）感应电机作为具有快速、良好动态转矩响应和磁场定向控制技术而被广泛使用。DTC方案，基本结构包括控制器、转矩观测器、磁链观测器和电压源逆变器（VSI）。该结构简单且多用于启动转矩大、转矩动态反应要求比较快的场合。

1986年直接转矩控制技术被引进国内，在大量文献中主要讨论如何提高系统的性能，其中一种方法是使用模糊逻辑控制器（FLC），该控制器可以提高传统直接转矩控制的电磁转矩脉动问题。模糊逻辑在直接转矩控制的低转速区域进行电阻补偿，比传统DTC提高了精度。但是，它需要遵循许多的规则以提高精度，还需要很长的计算时间。本文提出了减少转矩脉动的模糊PI控制器，并对其进行仿真分析。

1 传统的DTC感应电机驱动器

传统的直接转矩控制驱动器包括一对滞后比较器、定子磁链和转矩观测器、电压矢量开关表和一个电压源逆变器（VSI），如图1所示。其中，｜｜为磁链参考值，｜Ψs｜为磁链观测值，ΔΨs为磁链误差，为转矩参考值，Te为转矩观测值，ΔTe为转矩误差，ρz为定子磁链区间判断信号。

在传统的直接转矩控制（DTC）中，电压源逆变器中的开关状态控制定子磁链的调节量和电机的输出状态，这种适当的开关状态由最佳的三维状态转换表决定，其中磁通和转矩滞后比较器的输出以及空间电压矢量位置的输出作为三维状态转换表的输入。通过选择最佳的电压矢量开关，切换适当的电压矢量，使得定子磁链的调节量在它们容差范围内变化，且能使电机输出转矩快速跟随给定值变化，从而使调速系统有较高的动态性能。

图1 传统直接转矩控制驱动器

2 AC4Simulink模型

AC4模型是一个200HP DTC的感应电机驱动模型，如图2所示。DTC感应电机驱动模型是图1结构框架中的重要组成部分，包含有速度调节器、电压源逆变器（VSI）和感应电动机（IM）。

图2 感应电机驱动模型

3 基于模糊PI的转矩控制器

在图2中包含磁链调节器和转矩调节器。本文的目的是减少转矩脉动，因此只在转矩调节器中加入了模糊PI控制器。

在感应电机驱动模型内部模块中，DTC感应驱动器的输入分别为转矩参考值和磁链参考值｜｜，通过迟滞比较器计算输出转矩值和磁链值。图3为转矩和磁链的调节器。

图3 传统的转矩和磁链调节器

在图3（a）中加入模糊PI控制器，构成模糊PI转矩调节器。图4为模糊PI转矩调节器仿真模型，图5为模糊PI转矩调节器的结构框图。其中，G1为转矩误差比例放大系数，G2为转矩误差变化率的比例放大系数，G3为控制信号比例放大系数，TEn＝G1·TE，dTEn＝G2·dTE，dTcn＝G3·dTc。

由图5可以看出，模糊PI控制器有两个输入，一个是转矩误差信号TE＝－Te，一个是转矩误差改变率dTE。两个输入在输入模糊控制器之前都加入了比例环节G1和G2，以使控制器获得更好的输入数据。

控制器的输出是控制信号变化量dTc，实际的变化量dTcn的获得是通过增加了控制信号变化增益G3获得的。

在模糊PI控制器中，将输入精确量的取值范围定义成模糊语言变量的论域，在论域上将模糊语言变量离散化，分为7个模糊子集，如表1所示，每一个模糊子集确定一个隶属度函数。表2为模糊控制规则表，模糊控制规则表的制定是在仿真结果中不断学习和修正得到的。

图4 模糊PI转矩调节器仿真模型

图5 模糊PI转矩调节器的结构框图

表1 模糊子集

表2 模糊控制规则表（dTc）

4 仿真结果分析

在传统的DTC和以模糊PI为基础的转矩控制器的仿真图中所用的感应电机的参数见表3，仿真结果见图6、图7。从图6中可以看出传统DTC产生的波峰和波谷之间的纹波差值为220Nm；而图7中基于模糊PI控制器的转矩纹波中波峰和波谷之间的差值为80Nm，因此该电磁转矩的脉动纹波减小了。

表3 感应电机参数

图6 经典直接转矩控制的转矩波形

图7 模糊PI控制的转矩波形

5 结论

在传统DTC中，低速转矩脉动问题和器件开关频率的差异是两个主要的问题。本文提出了减少转矩脉动的模糊PI控制器。虽然转矩增量的增益参数仍然需要讨论，但在本文中感应电机低速运行时转矩的脉动减少是非常明显的，所以基于模糊PI转矩控制器可最大限度地减少转矩脉动。

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