永磁电机的优缺点_基于交流永磁同步电机的直接转矩模糊控制系统

时间：2019-04-17 03:38:36　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：结合交流永磁同步电机（PMSM）的数学模型和经典直接转矩控制理论，采用空间矢量控制方法，以定子磁链角增量为控制目标，将模糊控制器作为转速与转矩调节器和定子磁链优化控制器。运用MATLAB/Simulink软件对该控制系统建模和仿真。结果表明：与经典DTC控制系统相比，该控制方式能够减小转矩脉动，降低系统损耗，从而提高了效率。
　　关键词：永磁同步电机；直接转矩；模糊控制；磁链优化
　　中图分类号：TP273.4文献标识码：A文章编号：
　　
　　 Abstract: Combination of mathematical model of permanent magnet synchronous motor (PMSM) and the classic direct torque control theory, it adopted the control method of the space vector control to target stator flux angle increment for the control objectives,and the fuzzy controller would be as a regulator for speed and torque and the stator magnetic chain optimization controller. The control system can be modeled and simulated using MATLAB / Simulink software. The simulation results showed that:compared with the classical DTC control system, this control methed can reduce the torque ripple, reduce system losses and improve efficiency.
　　 Key words: permanent magnet synchronous motor; direct torque control; fuzzy controller; optimization flux
　　
　　
　　0引言[]
　　直接转矩控制的基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩条件下，通过控制电动机瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。而转矩脉动一直为直接转矩控制中的障碍，因此本文主要针对如何减小转矩脉动而提出一种有效的解决方案。
　　在本文中，采用模糊控制器形成速度闭环和转矩闭环，同时采用模糊控制器对定子磁链幅值进行控制以降低系统功耗，采用控制定子磁链角增量为控制方法的永磁同步电机（PMSM）直接转矩控制系统的性能特点，设计了以模糊控制器作为转速和转矩调节器、定子磁链优化控制器的系统图。
　　1PMSM的数学模型
　　经典DTC的转矩角增量dθ和磁链增量dΨs变化幅度大且不可精确控制，造成转矩脉动大。因此，使转矩角增量dθ和磁链增量dΨs可控可预知就成为研究的重点。在α-β和d-q坐标系下，运用坐标轴数学模型分析PMSM系统的磁链关系如图1所示。
　　
　　图1α-β与d-q坐标系磁链关系
　　由此，可得转子参考坐标系下的电压方程为：
　　，
　　磁链方程：
　　，
　　机械运动方程：
　　。
　　其中，各量为瞬态值。可见，改变Td即可得到不同的加速度dωr，只要控制了转矩，也就控制了转速。
　　电磁转矩可表达为
　　Tem=pn(Ψdiq-Ψqid)=np[Ψr×iq-(Lq-Ld)id×iq]。（1）
　　系统为隐极电机，有Ld=Lq，故
　　Tem=pnΨr×iq，
　　则
　　Tem=pnΨs×(Ψs×sin 2θ/2Lq-Ψs×sin 2θ/2Ld+
　　 Ψr×sin θ/Ld)，（2）
　　进而
　　Tem=pn×Ψs×Ψr×sin θ/Ld。
　　令Km=pn/Ld，并对式（2）求导得：
　　dTd=Km×Ψr×sin θ×dΨs+Km×Ψs×cos θ×dθ。
　　（3）
　　由式（3）可知，永磁同步转矩调节有两种途径：一是控制转矩角增量dθ；一是控制定子磁链幅值增量dΨs。因此，转矩的变化既与定子磁链幅值变化有关，又与转矩角增量dθ和转矩角θ有关。
　　2模糊控制系统
　　考虑转矩脉动小、无速度传感器、系统降耗和恒定开关频率等因素，设计模糊控制系统如图2所示。其中，FLC1、FLC2和FLC3分别为定子磁链、转速和转矩模糊控制器。SVPWM[1]为空间电压矢量计算模块，3/2变换即为clark变换[3]。
　　
　　图2PMSM直接转矩控制系统
　　3模糊控制器的设计
　　3.1定子磁链幅值
　　额度负载时，额定定子磁链幅值可充分利用电机铁芯，保证电机最佳的瞬态响应。轻度负载时，额定磁链幅值会过度损耗铁芯。尽管PMSM转子为永磁体，电机旋转损耗很小，但定子绕组同样具有铜损、铁损等。控制的最终目的是维持电机转速恒定，使得直流母线功率输出最小。由W=f(Ψs, ωr, Td)[5]可知，调整定子磁链幅值Ψs，就可以降低损耗，提高能源利用率。调整Ψs造成的转矩差由定子磁链角增量dθs补偿，由于转矩是内环，响应速度快，故不会引起速度波动。
　　3.2磁链优化模糊控制器
　　选择模糊控制器[6-7]进行定子磁链最优搜索。如果直流母线功率在减小，就维持定子磁链幅值调整方式，反之，就改变定子磁链幅值调整方式。控制原理如图3所示。
　　
　　图3磁链优化模糊控制
　　控制器的设计涉及四个量：该时刻功率和定子磁链幅值、前一时刻功率和定子磁链幅值。模糊变量的论域为单位论域[-1, 1]，根据电机直流母线功率变化，选取定子磁链幅值和功率的差值量化因子为10，变量ΔPu和ΔΨsu(k)选用5个不对称的三角形隶属函数描述，ΔΨsu(k-1)只需知道变化方向即可。故定义两个隶属函数，如图4所示。
　　
　　图4磁链优化模糊控制隶属函数
　　令｛PB，PS，Z，NS，NB｝分别表示｛正大，正小，零，负小，负大｝，｛N，P｝分别表示｛负，正｝，得磁链优化模糊控制规则如表1所示。可见，该控制器共有10条控制规则。当ΔΨsu(k-1)=N、ΔPu=PB时，功率增量为正大，磁链幅值增量为负，此时输出磁链幅值增量为正大，表明搜索力度加大。当ΔΨsu(k-1)=N、ΔPu=Z时，功率增量为零，磁链幅值增量为负，此时输出磁链幅值增量为零，即应保持目前磁链幅值。
　　表1磁链优化模糊控制规则
　　
　　
　　单位化的ΔPu和单位量ΔΨsu(k-1)分别对应各自隶属函数，采用最小算子法计算各规则对应的隶属度di。然后，根据规则查表得到相应输出修正量ΔΨsu(k)i，即输出隶属函数顶点对应的隶属度，并采用解模糊公式：
　　ΔΨsu(k)=∑di×ΔΨsu(k)i/∑ΔΨsu(k)i
　　得出精确的控制量。实施控制的条件是速度误差信号为零或很小且θ≤π/2，若误差信号超出设定范围，表明电机处于暂态，此时应使磁链幅值额定以保证电机具有最佳响应。

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