CN110971169B - 基于模糊输出占空比的永磁同步电机直接转矩控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模糊输出占空比的永磁同步电机直接转矩控制方法，首先通过开关表选择电压矢量，然后将当前转矩误差和转矩误差变化率、定子磁链误差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对应的占空比，通过空间矢量调制技术输出用于直接转矩控制。本发明可以有效减小转矩脉动和磁链脉动。

Description

基于模糊输出占空比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输出占空比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。本发明通过开关表选择电压矢量，引入模糊控制，将转矩误差和转矩误差变化率分级，再根据磁链误差的大小，输出基本电压矢量对应的占空比(幅值)。
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，提供一种基于模糊输出占空比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：
一种基于模糊输出占空比的永磁同步电机直接转矩控制方法，首先通过开关表选择电压矢量，然后将当前转矩误差和转矩误差变化率、定子磁链误差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对应的占空比，通过空间矢量调制技术输出用于直接转矩控制。
具体的，当磁链误差为Z时，模糊规则集如下：
只考虑转矩误差和转矩误差变化率；转矩误差ET为Z时，选择电压矢量占空比ZL，转矩误差ET为NB，转矩误差变化率为NB时，选电压矢量占空比VL；当转矩误差为NB，转矩误差变化率为PB时，选择电压矢量占空比SL。
具体的，当磁链误差为N或P时，模糊规则集如下：
Figure GDA0003066894120000021
。
具体的，转矩脉动均方根误差Trip_RMSE如下：
Figure GDA0003066894120000022
其中，Te为实际转矩，
Figure GDA0003066894120000023
为参考转矩，n为采样点个数。
具体的，定子磁链脉动均方根误差ψrip_RMSE如下：
Figure GDA0003066894120000024
其中，ψs为实际定子磁链，
Figure GDA0003066894120000025
为参考定子磁链。
具体的，平均开关频率fave如下：
Figure GDA0003066894120000026
其中，Nswitching为总开关频率，t为采样时间。
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输出占空比的永磁同步电机直接转矩控制方法，通过开关表选择将要施加的电压矢量，通过转矩误差、转矩误差变化率和磁链误差的大小，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占空比(幅值)，与传统直接转矩控制技术相比，提出的基于模糊输出电压矢量占空比的直接转矩控制技术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，将模糊控制与传统开关表直接转矩控制在控制性能上进行比较，验证基于模糊输出电压矢量占空比控制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为基于模糊输出电压矢量占空比控制的永磁同步电机直接转矩控制系统图；
图2为基于模糊输出电压矢量占空比控制的永磁同步电机直接转矩控制流程图；
图3为转矩误差隶属度函数图；
图4为定子磁链误差隶属度函数图；
图5为电压矢量占空比隶属度函数图；
图6为永磁同步电机电压矢量图；
图7为传统开关表定子磁链波形图；
图8为传统开关表转矩波形图；
图9为模糊输出电压矢量占空比控制定子磁链波形图；
图10为模糊输出电压矢量占空比控制转矩波形图；
图11为模糊输出电压矢量占空比控制a相定子电流图；
图12为模糊输出电压矢量占空比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输出占空比的永磁同步电机直接转矩控制方法，首先通过开关表选择电压矢量，然后将当前转矩误差和转矩误差变化率、定子磁链误差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对应的占空比(幅值)。其中转矩误差隶属度函数如图3所示，定子磁链误差隶属度函数如图4所示，电压矢量占空比隶属度函数如图5所示。
PMSM使用速度传感器测出当前时刻的实际转速，参考转速与实际转速相减后通过速度PI调节器得到参考转矩
Figure GDA0003066894120000042
通过测量逆变器的电压电流得到Uabc和Iabc，经过3s/2s变换及磁链估计、转矩估计、定子磁链角位置计算得到实际转矩Te、实际磁链
Figure GDA0003066894120000043
定子磁链角位置θ，参考磁链
Figure GDA0003066894120000044
与实际磁链
Figure GDA0003066894120000045
相减得到磁链误差Eψ，转矩误差和磁链误差、定子磁链角位置作为开关表的输入，输出为V1～V6的6个电压矢量，转矩误差、转矩误差变化率及磁链误差作为模糊控制器的输入，经过模糊时间计算后输出为电压矢量占空比δ，即电压矢量作用时间，再通过电压矢量选择模块，每个采样周期中，电压矢量作用时间为δ*Ts，电压矢量作用时间以外的时间作用零电压矢量，通过空间矢量调制技术生成电压矢量，驱动逆变器控制电机。
模糊推理过程用到的模糊规则集如表1.1和表1.2所示
表1.1模糊控制规则表(磁链误差为Z)
Figure GDA0003066894120000041
Figure GDA0003066894120000051
表1.2模糊控制规则表(磁链误差为N或P)
Figure GDA0003066894120000052
请参阅图6，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，通过开关表选择电压矢量，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对应的占空比(幅值)，再通过空间矢量调制技术输出。
转矩脉动均方根误差如式(1)所示：
Figure GDA0003066894120000053
其中，Te为实际转矩，
Figure GDA0003066894120000054
为参考转矩，n为采样点个数。
定子磁链脉动均方根误差如式(2)所示：
Figure GDA0003066894120000061
其中，ψs为实际定子磁链，
Figure GDA0003066894120000062
为参考定子磁链。
平均开关频率如式(3)所示：
Figure GDA0003066894120000063
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，分析并获得所需要的模糊规则集如下：
当磁链误差为Z时，不考虑磁链误差的影响，只考虑转矩误差和转矩误差变化率。转矩误差ET为Z时，表明要保持转矩不变，选择电压矢量占空比ZL，转矩误差ET为NB，转矩误差变化率为NB时，选电压矢量占空比VL，即转矩需要较大减小，转矩误差变化率较大减小时，选择最大的占空比满足需求。当转矩误差为NB，转矩误差变化率为PB时，选择电压矢量占空比SL，即转矩需要较大减小，但转矩误差变化率较大增大时，转矩误差变化率会抵消一部分转矩需求，此时选择较小的电压矢量占空比SL满足需求，以此推出其他规则。
当磁链误差为N或P时，不能忽略磁链误差的影响，此时施加电压矢量占空比ZL会造成只满足转矩需求不满足磁链需求的情况，造成磁链的较大波动，此处将ZL全部换成ML以满足控制要求。
由此可得模糊控制规则表：当磁链误差为Z时，模糊规则表为表1.1。当磁链误差为N或P时，模糊规则表如表1.2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。
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＝100，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1.3所示。
表1.3仿真用表面式永磁同步电机参数
Figure GDA0003066894120000071
Figure GDA0003066894120000081
对传统直接控制开关表，模糊直接转矩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7～图8所示，其中传统开关表如表1.4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1.4传统开关表
Figure GDA0003066894120000082
采用转矩误差、转矩误差变化率、定子磁链误差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9～图10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，模糊输出电压矢量占空比控制静止坐标系下定子磁链轨迹，a相定子电流如图11～图12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1.5所示：
表1.5仿真评价结果
Figure GDA0003066894120000083
Figure GDA0003066894120000091
表1.5仿真评价结果来看，对比一系列评价指标。模糊输出电压矢量占空比控制性能优于传统开关表控制，可以获得更低的转矩脉动和磁链脉动。
综上所述，得出如下结论：
1.模糊输出电压矢量占空比控制性能优于传统开关表(DTC)。
2.模糊输出电压矢量占空比控制将转矩误差、转矩误差变化率、磁链误差进行合理分级，通过输出合适的电压矢量占空比，在空间矢量调制之后，有效降低了转矩脉动和磁链脉动，但平均开关频率有所增加。
3.综合来看，模糊输出电压矢量占空比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 (6)

1.一种基于模糊输出占空比的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，首先通过开关表选择电压矢量，然后将当前转矩误差和转矩误差变化率、定子磁链误差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，输出所选择的电压矢量对应的占空比，通过空间矢量调制技术输出用于直接转矩控制。
2.根据权利要求1所述的基于模糊输出占空比的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，当磁链误差为Z时，模糊规则集如下：
只考虑转矩误差和转矩误差变化率；转矩误差ET为Z时，选择电压矢量占空比ZL，转矩误差ET为NB，转矩误差变化率为NB时，选电压矢量占空比VL；当转矩误差为NB，转矩误差变化率为PB时，选择电压矢量占空比SL。
3.根据权利要求1所述的基于模糊输出占空比的永磁同步电机直接转矩控制方法，其特征在于，当磁链误差为N或P时，模糊规则集如下：
Figure FDA0003048275870000011
。
4.根据权利要求1所述的基于模糊输出占空比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 FDA0003048275870000021
其中，Te为实际转矩，
Figure FDA0003048275870000022
为参考转矩，n为采样点个数。
5.根据权利要求1所述的基于模糊输出占空比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 FDA0003048275870000023
其中，ψs为实际定子磁链，
Figure FDA0003048275870000024
为参考定子磁链，n为采样点个数。
6.根据权利要求1所述的基于模糊输出占空比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 FDA0003048275870000025
其中，Nswitching为总开关频率，t为采样时间。
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