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1、永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真第27卷第6期2005年12月沈阳工业大学JournalofShenyangUniversityofTechnologyV01.27No.6Dec.2005文章编号:10001646(20o5)06064104永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真徐致远,张晗霞(沈阳工业大学信息工程学院,沈阳110023)摘要:以永磁同步直线电动机为例,详细介绍了永磁同步直线电动机数学模型并建立了直接转矩控制系统框图,在此基础上对系统关键环节进行了详细的分析,并将模糊控制理论应用于系统中,通过采用模糊控制器来修正传统直接转矩控制中的转矩调节器和磁链调节器,以进一步提高系统的动态性
2、能,稳态性能和鲁棒性,实现转矩的快速调节.并采用MAnAB/sIMuuNK对模型进行仿真,仿真结果表明了此模型的正确性,表明了基于模糊控制的直接转矩控制策略具有优良的控制性能.关键词:永磁同步电动机;直接转矩控制;模糊控制;仿真;稳定性中图分类号:TM351文献标识码:ASimulationofpermanentmagnetsynchronousmotordrivebasedonfuzzydirecttorquecontrolXUZhiyuan,ZHANGHanxia(SchoolofInformationScienceandEngineering,ShenyangUniversityofTe
3、chnology,Shenyang110023,China)Abstract:Themathematicalmodelofpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)anditscontrolsystemareputforwardandthensomekeysystempartsareanalyzedindetails.Thefuzzycontroltheoryisemployedandafuzzycontrollerisdesignedtomod讧ythetorqueandfluxregulatorstoimprovethedynamic,staticperfo
4、rmancesandrobustness.SimulationiSconductedbasedonMATLAB/SIMULINK.Thesimulationresultsshowthattheestablishedmodeliscorrect,andthestrategyofdirecttorquecontrol(DTC)hasgoodcontrolperformances.Keywords:permanentmagnetsynchronousmotor;directtorquecontrol;fuzzycontrol;simulation;stability直接转矩控制技术是继矢量控制技术之
5、后发展起来的一种新型的交流变频调速技术,引,它是通过简单的坐标变换计算实际的磁通与转矩值,运用Bang-Bang控制,直接控制变频器的开关状态,因此整个控制系统结构简单,动态响应快,具有优良的静动态调速性能.同时,随着计算机技术的发展,仿真已越来越被广泛利用_4.5J,本文利用MATLAB/SIMULINK软件工具建立永磁同步电动机的直接转矩控制系统的仿真模型,详细阐述了其数学模型及关键环节的实现方法,并讲模糊控制理论应用于直接转矩控制中,并对整个控制系统进行了仿真.收稿日期:20041104作者简介:徐致远(1974一),男,吉林榆树人,助教,硕士1直接转矩控制的基本原理1.1永磁同步电动机
6、直接转矩控制原理在a.J9坐标系上的空间矢量如下所示rl(t)=l(ul(t)一fl(t)R1)dt(1)J忽略定子电阻压降的影响,则有r1(t)=lu1(t)dt(2)J从式(2)中可知,只要对定子电压向量进行适当的切换,就可以控制磁链的大小,使之保持一定.如图1所示,图中定子磁链被分成了6个区,且=1,=2,0=3,0=4,0=5,0=6.642沈阳工业大学第27卷当定子磁链走到某一区时(如=Z),定子电压(对应V.(1f0)状态)的积分使得定子磁链沿着定子电压方向不断增加,则当定子磁链幅值增加到I1I+I1I/2时对定子电压进行切换(如切换到V1(0f0)状态),使得定子电压的积分改变方
7、向,即磁链改变方向,定子磁链的幅值开始减小,当定子磁链减小到I1I一I1I/2时,则再次对定子电压进行切换,并切换到(1f0),定子磁链又开始沿着定子电压(1Z0)的方向增加,这样通过改变定子电压来实现对定子磁链的控制.由于这种方法可将定子磁链控制在某一固定值范围,所以在这种条件下,就可以得到很高的转矩响应.只要选择适当的向量,就可以得到如图1所示的状态.o,o.一,D卜_II.图1定子磁链向量控制Fig.1Voltagevectorchoiceforfluxinvariability由于在实际运行中,保持定子磁链的幅值为额定值,而转子磁链幅值由负载决定,要改变电机的转矩,可以通过改变磁通角来
8、实现I6.7J.在直接转矩控制技术中,其基本控制方法就是通过电压空间向量(t)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的大小,从而改变磁通角的大小,以达到控制电机转矩的目的.1.2直接转矩控制系统框图及控制过程图2是直接转矩控制系统框图-8,输入是电磁转矩的参考值和定子磁链的参考值,通过参考值与实际值相比较,将比较的结果送入转矩滞环控制器和磁链滞环控制器,转矩滞环控制器的输出r及磁链滞环控制器的输出送人开关表,两个滞环控制器的输出值及定子磁链的位置决定开关表中的最优电压矢量.通过永磁同步电动机的模型及坐标变换关系得到电机转矩反馈值及磁链实际值.直接转矩控制的
9、基本原理是根据电磁转矩及定子磁链实际值分别与其参考值相比较,选择电压矢量,通过控制定子磁链直接控制电磁转矩.图2直接转矩控制系统框图Fig.2BlockdiagramofDTCsystem2系统数学模型2.1d.q轴电压.电流方程Ud=rdid+pXIrd一,(3)u口=rqi口+pa:y2.rq+(4)grq=Lqi.(5)=+f(6)=,(7)式中:ud,u.一分别为定子d轴,q轴电压;id,iq分别为定子d轴,q轴电流;,一分别为由定子d轴,q轴电流产生的d轴,q轴磁通;r口一分别为定子d轴,q轴电阻;,一分别为定子d轴,q轴电感;厂永磁体有效磁通.2.2转矩表达式T.=3/2p,fi+
10、(Ld一己)idi(8)式中:一电磁转矩.经坐标变换可得到定子坐标系xy轴上的转矩为.l2LqI.I(L.一Ld)sin2(9)当定子磁链保持恒定时,则转矩变化的表达式为dT.=l2Lqs一2IfI(L.一Ld)#cos2(10)式中:一定,转子磁链夹角一定子磁链由上式可知,在一定条件下,保持定子磁链为一恒定值,电机的电磁转矩随着定,转子磁链夹角的变化而变化.因此,尽可能快地改变这个夹角可以得到快速的转矩响应.第6期徐致远等:永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真6433模糊直接转矩控制本文提出的模糊推力控制器,修正了一般的直接推力控制器,它对电磁转矩和定子磁链的误差进行了模糊化处理,将误差分成不
11、同的等级,利用模糊决策来选择逆变器的开关状态.根据直接转矩控制的原理,选择转矩误差,磁链幅值误差及磁链角这三个与电机密切相关的变量作为模糊控制器的输人变量.转矩误差Efe是给定转矩与转矩估计值之差,即:Ere=一T.Efe在其论域上定义了3个模糊子集,相应的语言变量为:正(P),零(Z),负(N).隶属度函数如图4(a)所示.磁链误差E是定子磁链的给定值JJ与定子磁链的观测值J】J之差,即:E:JJI1I.E在其论域上定义了4个模糊子集,相应的语言变量为:正大(PL),正小(PS),负小(NS),负大(己).隶属度函数如图4(b)所示.磁链角是定子磁链与参考轴之间的夹角,即定义为=arctan
12、(1口/1).它在a.卢坐标系下分为12个模糊子集(112),隶属度函数如图4(c)所示.ab7口8口9eio9t1口n阜123阜4560I一ll如一71r一-1r7II图3隶属度函数Fig.3Membershipfunctiona.En的隶属度函数;b.E的隶属度函数;O.的隶属度函数4系统仿真当以上工作完成后,针对所解决的实际问题,利用MATLAB/SIMULINK软件对系统进行仿真.仿真用电机参数:极对数P=2,电枢电阻R=18.6Q,永磁体有效磁通=0.211Wb,d轴电感L,t=0.3885H,q轴电感=0.4755H,相电压V=240V,相电流,=1.6A.传统直接转矩控制的仿真结
13、果见图4,模糊直接转矩控制的仿真结果见图5.00.010.020.030.040.050.060.070.08t/sa47图4直接转矩控制仿真图Fig.4Directtorquecontrolresultsa.电磁转矩波形b.转矩突变时的波形0.定子磁链矢量轨迹00.Ol0.020.030.040.050.060.070.08t/sa沈阳工业大学第27卷t/sb图5模糊直接转矩控制仿真图Fig.5Fuzzydirecttorquecontrolresultsa.电磁转矩波形b.转矩突变时的波形c.定子磁链矢量轨迹5结论本文利用MATLAB/SIMULINK建立了直接转矩控制系统的仿真模型,并通
14、过仿真结果验证了此模型的正确性.传统的直接转矩控制中由于采用施密特触发器控制转矩和磁链,转矩的脉动依赖于滞环的宽度,对系统的性能有很大的影响,传统的直接转矩控制系统很难实现在不同的瞬间依据转矩误差和磁链误差合理地选择电压空间矢量,从而影响系统的转矩响应.而模糊控制是按照事先设计好的控制规则对直接转矩控制系统进行电压空间矢量的选择,它不需要知道对象的数学模型,并且能克服非线性因素的影响,对非线性系统能够很好地进行控制.采用模糊控制器选择转矩误差,磁链幅值误差和磁链角,通过模糊控制器的模糊化处理,将误差分成不同的等级,利用模糊决策选择最佳的电压空间矢量,采用模糊控制器作为逆变器的开关选择器,可以有
15、效地提高系统的转矩响应.在模糊直接转矩控制系统中,无论系统是突加转矩给定或突减转矩给定时,由于转矩的快速调节作用,转矩实际值始终快速无超调地跟踪转矩给定,它的响应时间比传统的直接转矩控制更短.并且磁链轨迹近似为圆形,这说明这种控制系统可以迅速,可靠地起动电动机,保证电机高效,稳定,快速地产生电磁转矩.采用模糊控制器作为开关状态选择器,系统的动,静态性能均得到改善.参考文献:1KazmierkowskiMP,KasprowiczAB.ImproveddirecttorqueandfluxvectorcontrolofPWMinverter-fedinductionmotordrivesJ.IEE
16、ETransonIE,1995,42(4):344350.2ZhongL,RahmanMF,HuWY,a/.AnalysisofdirecttorquecontrolinpermanentmagnetsynchronousmotordrivesJ.IEEETrans.onPowerElectronics.1997,12(3):528536.3李夙.异步电动机直接转矩控制M.北京:机械工业出版社,2000.(LiS.Directtorquecontrolinasynchronousmotor【MJ.Bering:ChinaMachinePress,2000.)4MariePR,BlanusaBD
17、,BukosavieSN.AnoveldirecttorqueandfulxcontrolalgorithmfortheinductionmotordriveeJ.ElectricMachinesandDriveesConference.2003,2(3):14.5薛定宇,陈阳泉.基于MA11B/SIMUuNK的系统仿真技术与应用M.北京:清华大学出版社.2002.(XueDY,ChenYQ.SystemsimulationtechnologyandapplicationbasedonMATLAB/SIMULINKM.Bering:TsinghuaUniversityPress,2002.)6
18、李永东.交流电机数字控制系统M.北京:机械工业出版社,2002.(LiYD.ACmotordistalcontrolsystemM.Beijing:ChinaMachinePress,2002.)7窦日轩,王洪艳.模糊直接转矩控制系统MATLAB/SIMULINK仿真J.计算机仿真,2001,18(2):7072.(DouYX,WangHY.SimulationbasedonMATLAB/SIMULINKoffuzzydirecttorquecontrolsystemJ.ComputerSimulation.2001,18(2):7072.)8郭庆鼎,王成元,周美文,等.直线交流伺服系统的精密控制技术M.北京:机械工业出版社,2000.(GuoQD,WangCY,ZhouMW.PrecisioncontroltechnologyinlinearACservosystem【MJ.Beijing:ChinaMachinePress,2OOO.)(责任编辑:王延香英文审校:杨俊友)