CN110932635A - 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

一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法 Download PDF

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CN110932635A CN201911330698.2A CN201911330698A CN110932635A CN 110932635 A CN110932635 A CN 110932635A CN 201911330698 A CN201911330698 A CN 201911330698A CN 110932635 A CN110932635 A CN 110932635A
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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，首先将当前转矩误差和定子磁链误差两个输入量输入到模糊控制器中；然后将两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，输出所选择的电压矢量角度和幅值，实现直接转矩控制。本发明可以有效减小转矩脉动和磁链脉动。

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，输出电压矢量角度和幅值，通过空间矢量调制技术控制逆变器。
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，进而优化控制系统性能。
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，首先将当前转矩误差和定子磁链误差两个输入量输入到模糊控制器中；然后将两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，输出所选择的电压矢量角度和幅值，实现直接转矩控制。
具体的，电压矢量角度和幅值对表面式永磁同步电机磁链
Figure BDA0002329475040000021
和转矩变化量ΔTe如下：
Figure BDA0002329475040000022
Figure BDA0002329475040000023
Figure BDA0002329475040000024
其中，
Figure BDA0002329475040000025
为当前时刻的定子磁链，α为电压空间矢量角度与定子磁链的夹角，p为极对数，ψf为转子磁链，Ld为d轴电感，VS为电压矢量幅值，大小为
Figure BDA0002329475040000026
Δt为电压矢量作用时间。
进一步的，转矩脉动均方根误差Trip_RMSE如下：
Figure BDA0002329475040000027
其中，Te为实际转矩，
Figure BDA0002329475040000028
为参考转矩，n为采样点个数。
进一步的，定子磁链脉动均方根误差ψrip_RMSE如下：
Figure BDA0002329475040000029
其中，ψs为实际磁链，
Figure BDA00023294750400000210
为参考磁链。
进一步的，平均开关频率fave如下：
Figure BDA00023294750400000211
其中，Nswitching为总开关频率，t为采样时间。
具体的，定义模糊控制规则如下：
当磁链误差为ZO，转矩误差为NB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-90度，幅值为λ1；
当磁链误差为ZO，转矩误差为NS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-90度，幅值为λ2；
当磁链误差为ZO，转矩误差为ZO时，输出电压矢量幅值为λ3，即为零电压矢量；
当磁链误差为ZO，转矩误差为PS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为90度，幅值为λ2；
当磁链误差为ZO，转矩误差为PB时，备选电压矢量角度与定子磁链夹角为90度，幅值为λ1。
具体的，定义模糊控制规则如下：
当磁链误差为NB，转矩误差为NB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-150度，幅值为λ1；
当磁链误差为NB，转矩误差为NS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-120度，幅值为λ2；
当磁链误差为NB，转矩误差为ZO时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-180度，幅值为λ3；
当磁链误差为NB，转矩误差为PS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为120度，幅值为λ2；
当磁链误差为NB，转矩误差为PB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为120度，幅值为λ1。
具体的，定义模糊控制规则如下：
当磁链误差为PB，转矩误差为NB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-60度，幅值为λ1；
当磁链误差为PB，转矩误差为NS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-60度，幅值为λ2；
当磁链误差为PB，转矩误差为ZO时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为0度，幅值为λ3；
当磁链误差为PB，转矩误差为PS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为30度，幅值为λ2；
当磁链误差为PB，转矩误差为PB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为60度，幅值为λ1。
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电压矢量角度和幅值，与传统直接转矩控制技术相比，本发明可以有效减小转矩脉动和磁链脉动。
进一步的，对直接转矩控制系统提出一系列的评价指标，将本方法与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和磁链脉动。
综上所述，本发明可以有效减小转矩脉动和磁链脉动。
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为基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制系统图；
图2为基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制流程图；
图3为磁链误差隶属度函数图；
图4为转矩误差隶属度函数图；
图5为输出电压矢量角度隶属度函数图；
图6为输出电压矢量幅值隶属度函数图；
图7为电压矢量角度对磁链幅值作用规律图；
图8为电压矢量角度对转矩作用规律图；
图9为传统开关表定子磁链波形图；
图10为传统开关表转矩波形图；
图11为模糊控制定子磁链波形图；
图12为模糊控制转矩波形图；
图13为模糊控制a相定子电流图；
图14为模糊控制定子磁链轨迹图。
具体实施方式
请参阅图1和图2，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，输出电压矢量角度和幅值。
PMSM通过转速传感器测出实际转速，与参考转速相减后，通过PI调节器得到参考转矩Te *，通过测量逆变器的电压电流得到Uabc和Iabc，计算后得到当前时刻实际的定子磁链和转矩，参考转矩和实际转矩相减得到转矩误差，参考磁链和实际磁链相减得到磁链误差，转矩误差和磁链误差输入到模糊控制器中，输出电压矢量的角度和幅值，通过空间矢量调制技术驱动逆变器控制电机。
两个输入量在模糊控制器中经模糊化、模糊推理、解模糊三部分输出电压矢量角度和幅值。其中磁链误差隶属度函数如图3所示，转矩误差隶属度函数如图4所示，电压矢量角度隶属度函数如图5所示，电压矢量幅值隶属度函数如图6所示，模糊推理过程用到的模糊规则集如表1.1所示。
表1.1模糊规则表
Figure BDA0002329475040000061
输出的电压矢量角度是电压矢量与定子磁链的夹角，施加电压矢量后，磁链
Figure BDA0002329475040000062
和转矩Te(k+1)的变化如式(1)和(2)所示。
Figure BDA0002329475040000063
Figure BDA0002329475040000064
其中，
Figure BDA0002329475040000065
Figure BDA0002329475040000066
为电压矢量幅值，大小为
Figure BDA0002329475040000067
Δt为电压矢量作用时间，
Figure BDA0002329475040000068
为当前时刻磁链，ψf为转子磁链，
Figure BDA0002329475040000069
为定子磁链，δ为转矩角，α为电压矢量与定子磁链的夹角；
转矩脉动均方根误差Trip_RMSE如式(3)所示：
Figure BDA0002329475040000071
其中，Te为实际转矩，
Figure BDA0002329475040000072
为参考转矩，n为采样点个数。
定子磁链脉动均方根误差ψrip_RMSE如式(4)所示：
Figure BDA0002329475040000073
其中，ψs为定子磁链，
Figure BDA0002329475040000074
为参考磁链。
平均开关频率fave如式(5)所示：
Figure BDA0002329475040000075
其中，Nswitching为总开关频率，t为采样时间。
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和磁链脉动。
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，电压矢量角度和幅值对表面式永磁同步电机磁链
Figure BDA0002329475040000076
和转矩变化量ΔTe简化如式(6)和式(7)所示：
Figure BDA0002329475040000077
Figure BDA0002329475040000078
其中，
Figure BDA0002329475040000079
为当前时刻定子磁链，
Figure BDA00023294750400000710
α为电压矢量与定子磁链的夹角，p为极对数，ψf为转子磁链，Ld为d轴电感，δ(k)为当前时刻转矩角。
由式(6)可知，电压矢量幅值与磁链幅值变化大小近似呈线性关系，电压矢量角度与磁链幅值变化近似呈余弦关系，如图7所示。由式(7)可知，电压矢量幅值与转矩变化大小近似呈线性关系，电压矢量角度与转矩变化大小近似呈正弦关系，如图8所示。
根据电压矢量角度和幅值对表面式永磁同步电机磁链和转矩的作用规律，可定义模糊控制规则如下：
当磁链误差为ZO，转矩误差为NB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-90度，幅值为λ1。
此时，输出电压矢量角度与转子磁链夹角范围为[-90，0]；此时可以满足磁链的要求，同时满足转矩的要求。
当磁链误差为ZO，转矩误差为NS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-90度，幅值为λ2。
此时，输出电压矢量角度与转子磁链夹角范围为[-90，0]，幅值变小，相应的对转矩的作用减小，满足控制要求。
当磁链误差为ZO，转矩误差为ZO时，输出电压矢量幅值为λ3，即为零电压矢量。为便于模糊控制器输出，将输出电压矢量角度与定子磁链角度设为0度。
当磁链误差为ZO，转矩误差为PS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为90度，幅值为λ2。
此时，输出电压矢量角度与转子磁链夹角范围为[90,180]，能够满足磁链ZO要求的同时兼顾转矩的要求。
当磁链误差为ZO，转矩误差为PB时，备选电压矢量角度与定子磁链夹角为90度，幅值为λ1。
此时，输出电压矢量角度与转子磁链夹角范围为[90，180]，将幅值增加，以满足较大增大转矩的要求。
当磁链误差为NB，转矩误差为NB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-150度，幅值为λ1。
此时，输出电压矢量角度与转子磁链夹角范围为[-150，-60]，兼顾对转矩的控制。
当磁链误差为NB，转矩误差为NS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-120度，幅值为λ2。
此时，输出电压矢量角度与转子磁链夹角范围为[-120，-30]，兼顾对转矩的控制。
当磁链误差为NB，转矩误差为ZO时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-180度，幅值为λ3。
当磁链误差为NB，转矩误差为PS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为120度，幅值为λ2。
此时，输出电压矢量角度与转子磁链夹角范围为[120，210]，可以满足磁链的要求，无法兼顾转矩要求，但转矩角在60度以内时，可以满足要求，当转矩角大于60度时，轻微的增加转矩减小磁链，一段时间后磁链误差为ZO，转矩误差为PS，跳出此规则。
当磁链误差为NB，转矩误差为PB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为120度，幅值为λ1。
此时，输出电压矢量角度与转子磁链夹角范围为[120，210]，可以满足磁链的要求，无法兼顾转矩要求，但转矩角在60°以内时，可以满足要求，当转矩角大于60度时轻微的增加转矩，减小磁链一段时间后磁链误差为ZO，转矩误差为PS，跳出此规则。
当磁链误差为PB，转矩误差为NB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-60度，幅值为λ1。
此时，输出电压矢量角度与转子磁链夹角范围为[-60，30]，可以满足磁链需求，在转矩角小于60°时满足转矩控制要求。转矩角大于60度时，轻微的增加转矩，减小磁链一段时间后磁链误差为ZO，转矩误差为NB，跳出此规则。
当磁链误差为PB，转矩误差为NS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-60度，幅值为λ2。
此时，输出电压矢量角度与转子磁链夹角范围为[-60，30]，较小的满足磁链需求，在转矩角小于60°时满足转矩控制要求。转矩角大于60度时，轻微的增加转矩，减小磁链一段时间后磁链误差为ZO，转矩误差为NB，跳出此规则。
当磁链误差为PB，转矩误差为ZO时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为0度，幅值为λ3。
当磁链误差为PB，转矩误差为PS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为30度，幅值为λ2。备选电压矢量角度与转子磁链夹角位于[30，120]，可兼顾转矩控制要求。
当磁链误差为PB，转矩误差为PB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为60度，幅值为λ1。备选电压矢量角度与转子磁链夹角位于[60，150]，可兼顾转矩控制要求。
综合以上模糊控制规则，可建立模糊控制规则表，如表1.1所示，其中角度为输出电压矢量角度与定子磁链夹角。
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。
表面式永磁同步电机系统仿真参数如下：
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[-35，35]。
参考转速为60rpm，1s时阶跃至30rpm。
参考转矩初始为10N.m，0.5s时阶跃至30N.m。
参考定子磁链幅值为0.3Wb。
仿真总时长为1.5s。
仿真用表面式永磁同步电机参数如表1.2所示。
表1.2仿真用表面式永磁同步电机参数
Figure BDA0002329475040000111
Figure BDA0002329475040000121
对传统直接控制开关表和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9～图10所示，其中传统开关表如表1.3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1.3传统开关表
Figure BDA0002329475040000122
采用转矩误差和定子磁链误差两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11～图12所示。
仿真结果表明两种策略下的仿真波形稳定，控制效果稳定良好，模糊控制静止坐标系下定子磁链轨迹，a相定子电流如图13～图14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1.4所示。
表1.4仿真评价结果
Figure BDA0002329475040000131
表1.4仿真评价结果来看，对比一系列评价指标。模糊直接转矩控制性能优于传统开关表控制。
综上所述，得出如下结论：
1.模糊直接转矩控制控制性能优于传统开关表(DTC)。
2.模糊直接转矩控制将转矩误差和磁链误差进行分级，通过输出合适的电压矢量角度和幅值，在空间矢量调制之后，有效降低了转矩脉动和磁链脉动，但开关频率有所增加。
3.综合来看，模糊直接转矩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 (8)

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，首先将当前转矩误差和定子磁链误差两个输入量输入到模糊控制器中；然后将两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，输出所选择的电压矢量角度和幅值，实现直接转矩控制。
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，电压矢量角度和幅值对表面式永磁同步电机磁链
Figure FDA0002329475030000011
和转矩变化量ΔTe如下：
Figure FDA0002329475030000012
Figure FDA0002329475030000013
Figure FDA0002329475030000014
其中，
Figure FDA0002329475030000015
为当前时刻的定子磁链，α为电压空间矢量角度与定子磁链的夹角，p为极对数，ψf为转子磁链，Ld为d轴电感，VS为电压矢量幅值，大小为
Figure FDA0002329475030000016
Δt为电压矢量作用时间。
3.根据权利要求2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Trip_RMSE如下：
Figure FDA0002329475030000017
其中，Te为实际转矩，
Figure FDA0002329475030000018
为参考转矩，n为采样点个数。
4.根据权利要求2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ψrip_RMSE如下：
Figure FDA0002329475030000021
其中，ψs为实际磁链，
Figure FDA0002329475030000022
为参考磁链。
5.根据权利要求2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，平均开关频率fave如下：
Figure FDA0002329475030000023
其中，Nswitching为总开关频率，t为采样时间。
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，定义模糊控制规则如下：
当磁链误差为ZO，转矩误差为NB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-90度，幅值为λ1；
当磁链误差为ZO，转矩误差为NS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-90度，幅值为λ2；
当磁链误差为ZO，转矩误差为ZO时，输出电压矢量幅值为λ3，即为零电压矢量；
当磁链误差为ZO，转矩误差为PS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为90度，幅值为λ2；
当磁链误差为ZO，转矩误差为PB时，备选电压矢量角度与定子磁链夹角为90度，幅值为λ1。
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，定义模糊控制规则如下：
当磁链误差为NB，转矩误差为NB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-150度，幅值为λ1；
当磁链误差为NB，转矩误差为NS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-120度，幅值为λ2；
当磁链误差为NB，转矩误差为ZO时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-180度，幅值为λ3；
当磁链误差为NB，转矩误差为PS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为120度，幅值为λ2；
当磁链误差为NB，转矩误差为PB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为120度，幅值为λ1。
8.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，定义模糊控制规则如下：
当磁链误差为PB，转矩误差为NB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-60度，幅值为λ1；
当磁链误差为PB，转矩误差为NS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为-60度，幅值为λ2；
当磁链误差为PB，转矩误差为ZO时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为0度，幅值为λ3；
当磁链误差为PB，转矩误差为PS时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为30度，幅值为λ2；
当磁链误差为PB，转矩误差为PB时，输出电压矢量角度与定子磁链夹角为60度，幅值为λ1。
CN201911330698.2A 2019-12-20 2019-12-20 一种基于模糊逻辑的永磁同步电机直接转矩控制方法 Pending CN110932635A (zh)

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