摘要：分析了逆变器的开关频率、滞环宽度、电机转速三者的关系，提出了开关频率优化的方法；为进一步提高系统的稳定性和响应速度，将模糊控制技术用于永磁同步电动机控制中，提出了一种新的模糊控制方案，并引入零矢量控制，对模糊控制规则进行简化。仿真实验结果表明，通过开关频率优化和模糊控制，不仅能充分利用功率器件的开关频率，而且模糊直接转矩控制的磁链轨迹更接近于圆形；转速在较短的时间内上升到稳定值；转矩快速、平稳地变化。
关键词：永磁同步电动机；直接转矩控制；模糊控制；开关频率优化
中图分类号：TM351；TM341 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2009110一0033—04
0引言
直接转矩控制系统中滞环比较器的滞环宽度值是根据经验确定的，固定经验值的选择通常是根据
系统在较高转速对转矩脉动的要求和系统开关频率的限制来确定的[1]从而产生功率器件开关频率利
用不充分、在转速变化过程中功率器件开关频率波动范围大且低速转矩调节性能下降的缺陷，而且在电机稳态时直接导致输出转矩脉动大，其继电特性无法精确地区分转矩误差和磁通误差。因此，如何提高系统稳定性，减小转矩和磁通脉动，提高系统快速性和平稳性已成为永磁同步电动机控制的研究热点。近年来，已有学者将模糊控制技术用于永磁同步电动机的直接转矩控制中，文献[5]使用模糊控制器，改进转矩响应速度和减小转矩脉动；文献【6—7]将模糊和神经网络结合提高系统抗干扰能力和控制精度。但这些控制方法算法较复杂，实际应用困难。本文在分析逆变器的开关频率、滞环宽度、电机转速三者关系的基础上，提出了开关频率优化和滞环宽度调节；同时将零矢量用在模糊控制规则表中，进一步提高控制系统的平稳性，大大加快系统控制时间。
1滞环宽度PI调节
1．1滞环宽度、转速与开关频率之间关系
转矩滞环调节器输出信号和逆变器开关频率之间的对应关系如图1所示。由图1中[t1t2]开关区
间，可得滞环宽度值和逆变器开关频率之间的关系：
式中f为开关频率；U为脉冲幅值；△T为滞环宽度
由式(1)可知，当转矩上升或下降梯度较大时，系统将以较高的变化率来跟踪给定转矩，使得逆变
器开关频率变高，从而需要较大的滞环宽度来保证逆变器的开关频率不超过功率器件的****开关频
率；当转矩上升或下降梯度变小时，系统只需较低的变化率来跟踪给定转矩，逆变器开关频率也随之降低，这时需要较小的滞环宽度以便充分利用功率器件的开关频率及提高转矩跟踪性能。总之，滞环宽度值需要不断变化才能使功率器件的开关频率得到充分利用：
逆变器的开关频率受滞环宽度值和转速两个因素的影响，当依据经验确定转矩滞环宽度值时，将产生两个问题：一方面系统高速运行时，为将转矩脉动限制在一定的范围内，滞环宽度值需要设置的相对较小，这就需要功率器件具有较高的开关频率；另一方面，如果滞环宽度值设置得较大，虽然降低了系统的开关频率，但是系统的转矩脉动却增大了，导致在转速变化的过程中功率器件的开关频率利用不充分和低速转矩调节性能下降的缺陷。滞环宽度、开关频率和转速之间的关系如图2所示。为解决固定滞环宽度值带来的滞环宽度和开关频率之间的矛盾，可以选择变化的滞环宽度值。
1．2开关频率优化及其对应的滞环宽度值
为了在满足系统开关频率要求的同时，充分利用功率器件的开关频率，使功率器件工作在****开
关频率附近，本文采用功率器件的****工作频率为给定频率，将逆变器的实际工作频率作为反馈频率，PI调节并将调节得到的结果作为转矩滞环比较器的滞环宽度值，如图3所示。PI调节器的特点，使得该开关频率优化方法具有结构简单、易于实现的优点。根据文献[5】中功率器件****开关频率和滞环宽度之间的关系，可以方便地设定滞环宽度PI调节器的饱和值，从而保证逆变器的开关频率不超过功率器件的额定****开关频率，保证整个系统的安全运行.
图4为在给定转速恒定时开关频率PI调节得到滞环宽度值的过程。通过开关频率优化使得功率器件工作在额定开关频率附件，但是滞环宽度值却相对经验值增大了，且高速运行时幅度增加相对较大，因此不可避免地带来了较大的转矩脉动，但是却较好地满足了系统开关频率的要求。图5是在充分利用功率器件开关能力的条件下针对不同的转速得到的滞环宽度值与转速之间的关系。随着转速的升
高，系统的开关频率随之增加，为了保证系统工作在功率器件的****开关频率附近，由开关频率PI调节器得到的转矩滞环宽度值随增大。
2．1模糊直接转矩控制系统结构
图6是永磁同步电动机模糊直接转矩控制系统结构图。ωr和ψs分别为转速给定和磁链给定，通
过检测电流和电压经过3s／2s坐标变换，送给磁链观测器和转矩观测器；另外，通过位置传感器测出转子位置信号。系统由转速、转矩和磁链三闭环控制转速调节器采用PI调节器。
磁链观测器和转矩观测器采用如下算法计算ψs、T和θ:
2．2 1模糊控制规则确定
对于三相电压型逆变器供电的永磁同步电动机
电阻0．081 Ω，转子电阻O 055 n，定子自感1．39 mH，转子自感O．79 mH，定子转子互感18 9 mH，极对数2。
显然，将模糊控制用于直接转矩控制，其动态和静态性能得到了较大的改善，无论是在起动至平稳时，还是在转矩突变时，都能保证电机输出转矩具有较高的响应性。无论在起动还是高速时，转矩脉动都相应减小。用H对系统的速度进行调节，速度变化幅度小，超调量小，响应也较快，这些都符合工控及精密控制的要求。
以TMs320F2812为核心实现了永磁同步电动机直接转矩控制的实验平台，实验所用样机参数同
仿真所用电机参数。图12是电机在1 500 r／min运行时，分别采用十八边形磁链轨迹并进行开关频率优化和采用圆形磁链轨迹但不采用开关频率优化得到的转矩波形，图13是电机在150 r／min运行时，分别采用十八边形磁链轨迹并进行开关频率优化和采用圆形磁链轨迹但不采用开关频率优化得到的转矩波形。
由图12、图13可见，当电机以1 500r／min相对较高的转速运行时，开关频率优化的方法虽然保证
了功率器件处于相对较优的开关频率附近工作，但是调节得到的滞环宽度值却相对较大，由此对应的转矩脉动要较不采用开关频率优化得到的转矩脉动要大。当电机位于150 r／min相对较低的转速运行时，采用开关频率优化得到的转矩脉动要较不采用开关频率优化得到的转矩要小。
4结语
本文在分析逆变器的开关频率、滞环宽度、电机转速三者关系的基础上，提出了开关频率优化。这样，在满足系统开关频率要求的同时，充分利用功率器件的开关频率，使功率器件工作在****开关频率附近，本文采用功率器件的****工作频率为给定频率，将统计得到的逆变器的实际工作频率作为反馈频率，对两者进行PI调节并将调节得到的结果作为转矩滞环比较器的滞环宽度值，选择变化的滞环宽度值，在充分利用功率器件开关频率的同时不仅可以克服圆形磁链轨迹对功率器件高开关频率要求的缺陷，而且可以克服在转速变化过程中采用固定滞环宽度值带来的功率器件开关频率波动范围大且低速转矩调节性能下降的缺点。理论分析和实验结果表明：通过开关频率优化和模糊控制，不仅能充分利用功率器件的开关频率，而且模糊直接转矩控制的磁链轨迹更接近于圆形；转速在较短的时间内上升到稳定值；转矩变化快速、平稳。
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