摘    要：为了改善基于空间矢量调制的直接转矩系统的动态性能及低速性，分析了传统SVM-DTC中采用两个PI控制器来产生参考电压矢量，存在PI控制器参数难以确定的问题，提出了一种基于双模糊空间矢量调制( SVM)的异步电机直接转矩控制(DTC)策略。阐述了产生磁链和转矩参考电压矢量的模糊控制器的具体的设计过程，即模糊控制器的输入变量分别为磁链、转矩误差和磁链、转矩误差的变化率，输出为参考电压矢量的磁链、转矩分量。对该控制方法在基于Simulink的仿真软件和基于DSP2812的控制芯片的实验装置分别进行了仿真与实验，并与传统的SWl-DTC进行了比较。仿真和实验结果表明，双模糊SVRl-DTC控制系统动态性能好，有效提高了系统的低速性能。

关键词：异步电机；直接转矩控制；空间矢量调制；模糊控制；低速性

中图分类号：TP 27    文献标识码：A

  传统的直接转矩控制是借助转矩的Bang-Bang控制来实现PWM的控制策略。同时电存在开关频率不固定的问题。而且不可避免会引起转矩急剧的增加或减少。为了解决这些问题，采用空间矢董调制(SVM)技术的DTC算法极大减小输出转矩脉动，且开关频率得到固定。参考电压矢量求取是SVM的关键，普遍采用2个PI控制器来调整定子磁链和转矩，以获得参考电压矢量。实际上该方法并不能达到精确控制的效果，因为PI控制依赖于磁链和转矩的准确观测，特别是低速运行时，磁链和转矩的不准确观测极大地影响了PI的控制性能。目前，模糊控制在直接转矩控制系统中广泛应用，显示了其鲁棒性强的优越性。

    因此，为了提高系统的鲁棒性和低速性能，本文提出了一种双模糊空间矢量调制的直接转矩控制方法。

  采用空间矢量的数学分析方法，以定子磁场定向，建立在静止正交定子坐标系“毋上的数学模型如下，

磁链方程：

    直接转矩控制系统在低速运行时采用近似圆形的磁链轨迹，通过检测定子电压和定子电流，经坐标变换，得到电压电流，然后用式(1)，式(2)观测。用式(3)观测转矩t，从而实现异步电机的直接转矩控制。

    1)空间矢量调制的基本原理空间矢量调制技术利用相邻的基本电压空间矢量可以合成任意大小和方向的参考电压矢量，如图1所示。

   

   相邻电压矢量由参考电压矢量的相位角判定。空间矢量合成的表达式为

  式中，U1，U2为用于合成的基本电压矢量；u0为零矢量；Us为合成的参考电压矢量；且满足T0=T1+T2+T3，To为一个控制周期。

  将式(4)转换到静止坐标系的坐标轴上：

θ1和θ2分别为电压矢量U1和U2与a轴正方向的夹角。矢量作用时间根据式(5)和式(6)求取。

    举例说明，图l中利用相邻基本电压矢量u4和U6合成参考电压矢量Us。将θ1=0度和θ2= 60度代人式(6)和式(7)，可求得电压矢量的作用时间分别为

    2)双模糊SVM-DTC控制实现传统的直接转矩控制不可避免地存在磁链和转矩误差。能够补偿磁链和转矩误差的电压矢量称为参考电压矢量。如何求得参考电压矢量是SVM-DTC算法的核心闻题。双模糊SVM-DTC控制原理，如图2所示。

    从控制原理框图可看出，实现系统控制性能的主要模块是磁链模糊控制器和转矩模糊控制器；转矩误差经过转矩模糊控制器得到旋转坐标系下参考电压矢量酌q轴分量，定子磁链误差经过磁链模糊控制器得到旋转坐标系下参考电压矢量的d轴分量。得到的参考电压矢量是在旋转坐标系下的2个电压矢量分量，将其送人SVM之前，先分别转换到静止的定子“管坐标系下，转换关系式如下：

    转换生成的2个在静止坐标系下的分量送人SVM模块之后，生成控制逆变器开关状态的PWM信号，从而实现基于双模糊空间矢量调制的直接控制。

 

    1)变量的模糊化及隶属度函数磁链模糊控制器根据磁链误差大小及其变化相应的输出参考电压矢量的d轴分量u定义其输入、输出变量。其输入变量有2个：磁链误差Eφ和磁链误差变化率ΔEφ,输出变量有1个，即参考电压矢量的d轴分量巩。Eφ包含3个模糊子集(Ns，Z，Ps)，ΔEφ有3个模糊子集(N，Z，P)，Ud有5个模糊子集(NL，NS，Z，Ps，PL)。

  转矩模糊控制器根据转矩误差大小及其变化相应的输出参考电压矢量的q轴分量U定义其输入、输出变量。其输入变量有2个：转矩误差ET和转矩误差变化率ΔET。输出变量有1个，即参考电压矢量的q轴分量Uq。ET包含5个模糊子集(NL，NS，Z，ps，PL)，ΔET有3个模糊子集(N，Z，P)，Uq有5个模糊子集(NL，NS，Z，Ps，PL)。磁链模糊控制器的模糊变量Eφ，ΔEφ和Ud的隶属度函数分布，如图3所示。

    转矩模糊控制器的模糊变量ET，ΔET，和Uq的隶属度函数分布，如图4所示。

    2)模糊控制规则的建立根据SVM-DTC系统的控制原理，直接转矩控制的思想是当转矩和磁链的误差值在滞环比较器的范围内，磁链或转矩输出为1或O，通过磁链、转矩的大小进行空间矢量的选择，从而实现转矩的直接控制。如当存在磁链误差正向较大时，磁链比较器的输出为1，且转矩的误差为正向较大时，选择的电压矢量为U1(011)；把此规律反映到转矩和磁链的参考电压矢量上，于是有当磁链误差为正向较大( PL)、磁链误差的变化率为负向较大(N)时，输出的参考电压矢量为o(z)；当存在转矩误差为正(P)、转矩误差的变化率为正(P)时，输出的参考电压矢量为负大(NL)。根据这一普遍的变化规律得出磁链和转矩的模糊控制规则，见表l，表2。

 

 

    该控制规则适用于空间矢量调制的直接转矩控制系统。

   模糊规则采用If-Then形式表示，磁链／转矩模糊控制器第i条规则表示为

 

    其中，Ai，Bj，Cij为磁链／转矩误差Eφ/ET磁链／转矩误差变化率ΔEφ/ΔET、以及参考电压矢量d/q轴分量Ud/Uq的子集变量。磁链模糊控制器有15条规则，转矩模糊控制器共有9条模糊控制规则。

    3)模糊推理与清晰化磁链／转矩模糊控制器均采用Mamdani模糊推理法，第i条模糊规则所对应的模糊关系如下：

    由于模糊推理得到的控制量是一个模糊集合，而被控对象只能接受精确的控制量，因此必须经过清晰化处理，精模糊控制量采用重心法转换成精确量实现控制。

   1)仿真及结果分析该控制系统主要是以湘潭电机厂研制的矿山机械变频技术中15 kW电机的直接转矩控制方法为具体的研究对象，利用Mat—ab/Simulink仿真软件搭建了基于双模糊SVM-DTC控制系统仿真模型，对基于双模糊SVM-DTC系统的控制原理进行验证。

   具体仿真条件设定为：负载启动，转速给定值为50 r/min；负载转矩为O；双模糊SVM-DTC系统和传统的SVM-DTC，系统的仿真参数相同，仿真时间设为0 8 s。仿真结果，如图5所示。

   

由图5中的仿真结果可知，双模糊SVM-DTC系统，相对于传统SVM-DTC系统在低速时，定子磁链的曲线更接近圆形，基本没有脉动量；转速响应变快，低速时很快变得很平缓，电流与转速的脉动量较传统的SVM-DTC系统大大减小；转短响应速度加快，并能很快达到稳定、无波动。

   2）实验及结果分析为了进一步验证本文提出的控制方法的正确性，在以TMS320LF2812为控 制芯片的控制平台上进行实验验证，对应的电机参数与仿真参数相同。实验结果，如图6所示。

   

    图6中实验结果表明，仿真结果与实验结果基本相近，从而进一步验证了基于双模糊SVM-DTC系统具有更好的转矩特性和转速特性，并且对系统的磁链误差有很好的鲁棒性，大大提高了控制系统的低速性能，从而证实了新策略的有效性。

    本文基于模糊控制理论提出一种双模糊SVM-DTC控制策略。传统的SVM-DTC系统采用PI控制器产生参考电压矢量，采用磁链、转矩模糊控制器代替PI控制器，进一步提高SVM-DTC系统低速时的控制性能。通过与传统的SVM-DTC系统进行了仿真、实验、验证。仿真和实验结果表明，该控制方法能够大大减小系统的转矩、转速及磁链的脉动量，可有效提高系统的动静态性能，尤其是控制系统的低速性能。