摘要：根据直接转矩控制理论，在Matlab7．1／simulink下构造了一个异步电机直接转矩控制系统的仿真模型。为了进一步提高直接转矩控制系统的性能，引进了调整系统控制量的模糊PlD速度调节器，并与常规的PID速度调节器进行了对比。仿真结果表明，采用模糊PID速度调节器可以提高系统的响应速度和稳定性，同时验证了该模型的正确性和控制方案的有效性。该控制方法可大大提高系统的响应速度和稳定性。
关键词：感应电动机；直接转矩控制；模糊控制器；仿真
0 引 言
由于直接转矩控制系统中的速度调节器一般采用传统HD控制器，相比之下，模糊控制器能使系统响应的超调减小，反应时间加快，且能克服非线性因素的影响；若用它取代PJD控制器，可提高系统性能。本文利用Maflab7．1／Sireulink提供的模块建立仿真平台，对异步电动机的直接转矩控制进行了仿真研究，并且对传统PID速度调节器和模糊控制器进行比较，验证了模糊算法的有效性。
1直接转矩控制基本原理
直接转矩控制系统框图如图l所示。它包括速度调节器、转矩控制、磁链控制等。该系统采用定子磁场定向，在定子坐标系下计算和控制异步电动机的转矩，将实际转矩、磁链分别与给定值进行比较，形成转矩、磁链的闭环控制。
其基本原理是充分利用电压型逆变器的开关特点，通过不断切换电压状态，使定子磁链轨迹逼近圆形，并通过零电压矢量的穿插调节来改变转差频率，以控制电机的转矩及其变化率，从而使异步电机的磁链和转矩同时按要求快速变化。
直接转矩控制通过定子电阻及能够方便测量得到的电压及电流值来估算磁链、转矩，故转矩响应迅速，实现方便。
异步电动机的转矩与磁链的关系为：
由公式知，转矩大小与定子磁链、转子磁链及二者间的夹角θ有关。为了充分利用电动机铁 心，需保持定子磁链幅值为恒定，而转子的磁链由负载决定。如果要改变电机的转矩，可以通过改变磁通角θ来实现。
2仿真模型建立
本系统仿真模型中的异步电动机及逆变器均采用simPowrSystems模块中的模型。异步电动机的三相定子电压、电流和转速都是可以方便地被测出。这些为硬件部分，其它模块则属于算法，归为软件部分。采用以下的建模步骤：首先，将整个系统按照算法分别构建各个子系统，通过封装技术将它们封装；最后，把各个子模块连接起来，构成整个系统的仿真模型。仿真模型如图2所示。
2．1磁链、转矩的观测与调节模块
定子磁链和转矩的观测常用的方法为间接测量，即通过易于测量的电机其它物理量，建立定子磁链和转矩的观测模型。
磁链观测模块根据式(1)建立u—i模型，即用定子电压和定子电流来确定定子磁链，即：
式中，ψS为定子磁链空间矢量；us、is分别为定子电压和定子电流。
转矩观测模型则根据式(2)建立，即用定子在两相静止坐标系下的电流和磁链来确定转矩，即：
磁链、转矩调节模块均采用施密特两点式调节。
磁链调节如下：将给定的幅值与观测到的幅值两者比较，得到的差值送入滞环比较器；当差值大于设定容差时，调节输出信号ψQ为“1”，说明需增大定子磁链；当差值小于设定容差时，ψQ为“0”，说明需要减小定子磁链。转矩调节和磁链调节类似，只是容差不同，调节原理与磁链调节相同。
2．2扇区判断模块按照图3所示的电压空间矢量和磁链空间矢量关系划分磁链区间sx(x=1～6)。电压空间矢量为括号里的三位逻辑值，表示逆变桥上桥臂的开关状态，“1”表示导通，“O”表示截止。本文的扇区分配如图3所示。
对于扇区判断，则利用模块实现。其中，角度的计算由磁链计算模块得到。当磁链角在一30。
和30。之间时，输出为1。按照图3所示的关系，依此类推可得1～6个扇区。
2．3开关信号
选择单元要形成圆形磁链轨迹，必须根据定子磁链所处的位置采取相应的电压矢量。通过磁链、转矩的两点式调节信号ψQ、TQ和定子磁链所在扇区，确定所需施加的电压空间矢量，从而将所有的状态列表，最后通过所选电压空间矢量输出开关脉冲信号给逆变器。由电压空间矢量与磁磁空间矢量关系图列出优化开关表见表1。
本文采用了s函数来实现开关信号的选择。有3个输入：磁链开关信号、转矩开关信号和扇区值，编写s函数参考表I。通过表l可以看出，确定任一时刻所需的电压矢量，需要上述3个量共同决定，从而保证电磁转矩和磁链幅值保持在所设定的范围内。
3模糊控制器设计
模糊控制器为调速系统控制量的模糊PID控制。它的特点是在大偏差范围内用模糊推理的方法调整系统的控制量u，而在小偏差范围内换成PID控制。两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现。加入系统偏差微分信号的目的，是赋予调节器以某种程度的预见性，以获得更良好的控制品质。其结构如图4所示。
模糊控制器采用二维输入，一维输出。输入量为电机的速度误差和误差的导数，输出量为控制量”’。电机的速度误差、速度误差变化、输出控制量的模糊变量分别记为E、Ec、U0。模糊控制结构如图5所示。
4仿真结果及分析控制系统参数为：磁链滞环范围△ψ=O．005 Wb，磁链给定值为，转矩滞环范围仿真波形见图6。由波形知，当系统开始运行后，定子磁链从0迅速增加，很快达到磁链给定值1 wb左右。通过对电机定子所加的不同电压矢量，磁链幅值被限制于一个比较小的容差范围内，从而利用此模型建立了一个运动轨迹近似为圆形的定子磁链。
图7、图8、图9分别给出了给定负载、负载突变和转速突变时的转速波形。其中1为模糊控制输出，2为PID控制输出。图7、8的给定转速分别为1 200 r／min900 r／min。图9转速从1．350r／min突加到1 450 r／min。图7、图9给定负载均为5 N·m，图8则由15 N·m空载突加到40 N·m。
可以看出，模糊控制明显优于传统的HD控制。表现在给定负载时模糊控制的速度能快速达到稳定，负载突变时在小许的波动后很快达到稳定，转速突变时，能快速跟随速度变化。可见，模糊控制时系统鲁棒性好，抗干扰能力强。
5结语
本文提出了一种用于异步电机的基于模糊控制的直接转矩控制的简单有效的方法。在Mat—lah7．1／simulink仿真平台上实现圆形磁链的直接控制，并且用调整系统控制量的模糊P1D控制取代了传统的PID转速调节方法，与传统PID控制作了对比。仿真结果表明，前者设计出的系统有良好的干扰抑制能力和鲁棒性，而且响应速度比较快，有优良的稳态性能，在模型结构和参数不确定的情况下，模糊HD控制具有更佳的控制效果。
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