CN110829924A - 一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，将当前转矩误差和定子磁链误差、定子磁链的角位置以及转矩角输入量输入模糊控制器中；将转矩脉动均方根误差、定子磁链脉动均方根误差和平均开关频率经模糊化、模糊推理和解模糊处理，输出所选择的基本电压矢量，完成直接转矩控制。本发明可以有效减小转矩脉动特别是高转矩下的转矩脉动，更进一步的降低了平均开关频率。

Description

一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法。

背景技术

直接转矩控制技术基于定子磁链坐标系并直接将转矩作为控制对象，避免了旋转坐标变换时的大量计算以及对电机参数的依赖性，其动态性能好，转矩响应时间短。

表面式永磁同步电机直接转矩控制系统中，有六个基本电压矢量和一个零电压矢量，由于常规直接转矩控制中转矩、磁链调节均采用离散的两个滞环控制器，通常在转矩、磁链误差很大和很小时易选择同一电压矢量，导致系统转矩响应迟钝，且易造成转矩脉动增大。引入模糊控制，将转矩误差和定子磁链误差分级，再根据定子磁链与α轴的夹角，输出基本电压矢量。

但是伴随着转矩的增大，转矩角增大，转矩角会影响电压矢量对转矩的作用规律，基于转矩角对电压矢量作用的影响规律，增加了转矩角输入，故此，提出一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，进而优化控制系统性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，可有效减小转矩脉动特别是高转矩下的转矩脉动和平均开关频率。

本发明采用以下技术方案：

一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，将当前转矩误差和定子磁链误差、定子磁链的角位置以及转矩角输入量输入模糊控制器中；将转矩脉动均方根误差、定子磁链脉动均方根误差和平均开关频率经模糊化、模糊推理和解模糊处理，输出所选择的基本电压矢量，完成直接转矩控制。

具体的，根据永磁同步电机逆变器电压矢量图确定从原点到六边形六个顶点的六个基本电压矢量V₁～V₆和1个零电压矢量，根据模糊控制器中的模糊化、模糊推理、解模糊确定电压矢量，输出该电压矢量的开关状态。

进一步的，六个基本电压矢量V₁～V₆的角度集合α_1-6为：

α_1-6∈{-θ_s(k),60°-θ_s(k),120°-θ_s(k),180°-θ_s(k),240°-θ_s(k),300°-θ_s(k)}

其中，θ_s(k)为静止坐标系下定子磁链角位置。

具体的，转矩脉动均方根误差T_{rip_RMSE}为：

其中，T_e为实际转矩，T_e ^*为参考转矩。

具体的，定子磁链脉动均方根误差ψ_{rip_RMSE}为：

其中，ψ_s为实际磁链，n为采样点个数。

具体的，电压矢量的平均开关频率f_ave为：

其中，N_switching为总开关频率，t为采样时间。

具体的，定子磁链位置角θ位于θ₂时的模糊规则集为：

E_Ψ＝N减少磁链时，取电压矢量V3、V4、V5；E_Ψ＝P增大磁链时，取电压矢量V6、V1、V2；E_Ψ＝Z保持磁链不变，取电压矢量V0。

进一步的，当转矩角模糊输入为N时，模糊规则表如下：

进一步的，当转矩角模糊输入为P时，模糊规则表如下：

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，通过定子磁链的角位置、转矩误差和定子磁链误差的大小，根据直接转矩控制系统已有的控制经验，确定下一时刻施加的基本电压矢量，可以有效减小转矩脉动特别是高转矩下的转矩脉动和平均开关频率。

进一步的，可在考虑增加转矩角输入，当转矩角较小时施加原来的电压矢量，转矩角较大时根据转矩角对电压矢量作用的影响规律，选择新的电压矢量以满足系统对转矩的控制要求。

进一步的，对直接转矩控制系统提出一系列的评价指标，将有转矩角输入的模糊控制与三个输入量的模糊控制以及传统开关表直接转矩控制在控制性能上进行比较，验证基于模糊逻辑的控制系统可以获得更小的转矩脉动，同时可以减小平均开关频率。

综上所述，本发明可以有效减小转矩脉动特别是高转矩下的转矩脉动，更进一步的降低了平均开关频率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为基于传统模糊(三个输入)的永磁同步电机直接转矩控制系统图；

图2为基于传统模糊(三个输入)的永磁同步电机直接转矩控制流程图；

图3为有转矩角输入的永磁同步电机模糊直接转矩控制系统图；

图4为有转矩角输入的永磁同步电机模糊直接转矩控制流程图；

图5为磁链误差隶属度函数；

图6为转矩误差隶属度函数；

图7为定子磁链角度隶属度函数；

图8为转矩角隶属度函数；

图9为电压矢量隶属度函数；

图10为电压空间矢量划分图；

图11为永磁同步电机电压矢量图；

图12为传统开关表定子磁链波形；

图13为传统开关表转矩波形；

图14为传统模糊控制定子磁链波形；

图15为传统模糊控制转矩波形；

图16为有转矩角输入的模糊控制定子磁链波形；

图17为有转矩角输入的模糊控制转矩波形；

图18为传统模糊控制与有转矩角输入的模糊控制转矩波形对比；

图19为有转矩角输入的模糊控制a相定子电流；

图20为有转矩角输入的模糊控制定子磁链轨迹。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4，本发明提供了一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，首先将当前转矩误差和定子磁链误差、定子磁链的角位置三个输入量输入到模糊控制器中，输入量在模糊控制器中经模糊化、模糊推理、解模糊三部分，输出所选择的基本电压矢量；加入转矩角输入，四个输入量在模糊控制器中经模糊化、模糊推理、解模糊三部分输出基本电压矢量。其中磁链误差隶属度函数如图5所示，转矩误差隶属度函数如图6所示，定子磁链角位置隶属度函数如图7所示，转矩角隶属度函数如图8所示，电压矢量隶属度函数如图9所示。

本发明一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，包括以下步骤：

S1、将当前转矩误差和定子磁链误差、定子磁链的角位置以及转矩角四个输入量输入到模糊控制器中；

S2、四个输入量在模糊控制器中经模糊化、模糊推理、解模糊三部分，输出所选择的基本电压矢量；模糊推理过程用到的模糊规则集如表1和表2所示。

表1转矩角输入为N时的模糊规则表

表2转矩角输入为P时的模糊规则表

请参阅图10，根据永磁同步电机逆变器电压矢量图确定从原点到六边形六个顶点的六个基本电压矢量V₁～V₆和1个零电压矢量，根据模糊控制器中的模糊化、模糊推理、解模糊三部分确定出电压矢量，输出该电压矢量的开关状态；其中，6个非零电压矢量幅值为2U_dc/3，U_dc为直流母线电压，零电压矢量幅值为零。

电压矢量备选集合如式(1)下：

六个基本电压矢量V₁～V₆的角度集合α_1-6计算如式(2)下：

α_1-6∈{-θ_s(k),60°-θ_s(k),120°-θ_s(k),180°-θ_s(k),240°-θ_s(k),300°-θ_s(k)} (2)

其中，θ_s(k)为静止坐标系下定子磁链角位置。

施加电压矢量后，磁链和转矩变化如式(3)和(4)所示。

其中，

为当前时刻磁链，q为人工定义值，α为施加的电压矢量与定子磁链的夹角，δ为转矩角，L_d为d轴电感。

转矩脉动均方根误差如式(5)所示：

其中，T_e为实际转矩，

为参考转矩。

定子磁链脉动均方根误差如式(6)所示：

其中，ψ_s为实际磁链，n为采样点。

平均开关频率如式(7)所示：

其中，N_switching为总开关频率，t为仿真时长。

S3、将基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制与传统开关表直接转矩控制在控制性能上进行比较，包括转矩均方根误差和定子磁链均方根误差，平均开关频率。验证基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制相比传统开关表直接转矩控制可以有效减小转矩脉动，更进一步的降低了平均开关频率。

基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制的模糊规则的获取基于直接转矩控制系统已有的控制经验和对逆变器开关状态所做的详细分析，根据图10所示的电压空间矢量划分以及图11所示的逆变器电压矢量图，以定子磁链位置角θ位于θ₂对应区域为例，分析并获得所需要的模糊规则集。

当转矩较小时转矩角较小，此时不考虑转矩角的影响，在磁链逆时针旋转且位于图10所示位置，即位于θ₂区域时，由于电压矢量V6、V1、V2将使磁链增大，而电压矢量V3、V4、V5将使磁链减少，则E_Ψ＝N需要减少磁链时，可取电压矢量V3、V4、V5；若E_Ψ＝P需增大磁链时，可取电压矢量V6、V1、V2；若E_Ψ＝Z要求保持磁链不变，可取电压矢量V0。

另一方面，电压矢量V2、V3、V4将使转矩增大，而电压矢量V5、V6、V1将使转矩减少，则需要减小转矩时可取电压矢量V5、V6、V1；需要增大转矩时可取电压矢量V2、V3、V4。

综合起来，选择V1将使磁链增加而转矩减小；选择V2将使磁链增加而转矩增大；选择V3将使磁链减小而转矩增大；选择V4将使磁链较小而转矩增大；选择V5将使磁链减小而转矩减小；选择V6将使磁链增大而转矩减小；若要求保持磁链不变或减小而减少转矩，选择V0。

根据模糊规则的设计标准，推广至θ的其他11个区间，即可得到完整的模糊控制表1，共包含180条规则。

上述选择规则的过程中，由于选择了电压矢量V0，可显著的降低开关频率。

当转矩较大时转矩角较大，此时需要考虑转矩角的影响。基于转矩角对电压矢量作用的影响规律，当定子磁链位于(15°，45°)时，V1与定子磁链夹角是(-15°，-45°)，与转子磁链的夹角是(-15°+δ，-45°+δ)，V6与定子磁链的夹角是(-75°，-105°)，与转子磁链的夹角是(-75°+δ，-105°+δ)。

转矩角较小时，当需要增大磁链，减小转矩时，模糊控制系统选择V1，但当转矩角较大时，V1可能会增大转矩，此时模糊控制系统应选择V6来增大磁链，减小转矩。由此可得考虑转矩角输入下的模糊控制规则表：当转矩角模糊输入为N时，模糊规则表与表1相同。当转矩角模糊输入为P时，模糊规则表如表2所示。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

仿真试验：

基于MATLAB/Simulink建立了表面式永磁同步电机直接转矩控制仿真模型。仿真模型为离散模型，采样周期为5×10-5s。直流母线电压为312V。转速PI调节器参数为：KP＝5，KI＝10，PI调节器输出上下限为[-45，45]。参考转速为50rpm，参考转矩初始为11N.m，对应转矩角为18°,1s时阶跃至30N.m，对应转矩角为55°。参考定子磁链幅值为0.3Wb。仿真总时长为2s。仿真用表面式永磁同步电机参数如表3所示。

表3仿真用表面式永磁同步电机参数

对传统直接控制开关表，传统模糊控制(三输入)以及有转矩角输入的模糊控制进行一系列的性能指标的比较。

采用传统直接转矩控制开关表控制的永磁同步电机定子磁链和转矩如图12和图13所示，其中传统开关表如表4所示，φ和τ分别是定子磁链和转矩滞环比较器输出结果。

表4传统开关表

采用转矩误差和定子磁链误差、定子磁链的角位置三输入的模糊控制器控制的永磁同步电机定子磁链和转矩如图14和图15所示，采用转矩误差和定子磁链误差、定子磁链的角位置、转矩角四个输入的模糊控制器控制的永磁同步电机定子磁链和转矩如图16和图17所示。

仿真结果表明三种策略下的仿真波形稳定，控制效果稳定良好，传统模糊控制与有转矩角输入下的模糊控制转矩对比图如图18所示，有转矩角输入的模糊控制静止坐标系下定子磁链轨迹，a相定子电流如图19和图20所示。

性能指标包括：转矩脉动均方根误差、磁链脉动均方根误差、平均开关频率。仿真评价结果如表5所示。

表5仿真评价结果

表5仿真评价结果来看，对比一系列评价指标。有转矩角输入的模糊控制性能优于传统模糊控制，当然各项都优于传统开关表控制，因此有转矩角输入的模糊控制达到了高转矩角下良好的控制性能。

综上所述，本发明具有以下优点：

1.有转矩角输入的模糊控制性能最优，传统模糊控制次之，传统开关表(DTC)最差。

2.在转矩角较小时，考虑转矩角的表面式永磁同步电机模糊直接转矩控制系统与传统模糊控制的控制性能基本相当；在转矩角较大时，考虑转矩角的表面式永磁同步电机模糊直接转矩控制系统可有效减小转矩和磁链脉动，改善控制性能。

3.有转矩角输入的模糊控制，增加了转矩角输入，使得系统在低转矩下保持了原有的控制性能，高转矩下改善了控制性能。综合来看，有转矩角输入的模糊控制是一种更佳理想的控制方法。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，将当前转矩误差和定子磁链误差、定子磁链的角位置以及转矩角输入量输入模糊控制器中；将转矩脉动均方根误差、定子磁链脉动均方根误差和平均开关频率经模糊化、模糊推理和解模糊处理，输出所选择的基本电压矢量，完成直接转矩控制。

2.根据权利要求1所述的基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，根据永磁同步电机逆变器电压矢量图确定从原点到六边形六个顶点的六个基本电压矢量V₁～V₆和1个零电压矢量，根据模糊控制器中的模糊化、模糊推理、解模糊确定电压矢量，输出该电压矢量的开关状态。

3.根据权利要求2述的基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，六个基本电压矢量V₁～V₆的角度集合α_1-6为：

α_1-6∈{-θ_s(k),60°-θ_s(k),120°-θ_s(k),180°-θ_s(k),240°-θ_s(k),300°-θ_s(k)}

其中，θ_s(k)为静止坐标系下定子磁链角位置。

4.根据权利要求1所述的基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，转矩脉动均方根误差T_{rip_RMSE}为：

其中，T_e为实际转矩，为参考转矩。

5.根据权利要求1所述的基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，定子磁链脉动均方根误差ψ_{rip_RMSE}为：

其中，ψ_s为实际磁链，n为采样点个数。

6.根据权利要求1所述的基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，电压矢量的平均开关频率f_ave为：

其中，N_switching为总开关频率，t为采样时间。

7.根据权利要求1所述的基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，定子磁链位置角θ位于θ₂时的模糊规则集为：

E_Ψ＝N减少磁链时，取电压矢量V3、V4、V5；E_Ψ＝P增大磁链时，取电压矢量V6、V1、V2；E_Ψ＝Z保持磁链不变，取电压矢量V0。

8.根据权利要求7所述的基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，当转矩角模糊输入为N时，模糊规则表如下：

9.根据权利要求7所述的基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，当转矩角模糊输入为P时，模糊规则表如下：

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