基于模糊控制的感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

摘要：根據(jù)直接轉(zhuǎn)矩控制理論，在Matlab 6．5／Simulink下構(gòu)造了一個(gè)感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型。為改善感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器，根據(jù)速度偏差與偏差變化率，通過模糊推理在線調(diào)整PI參數(shù)，提高系統(tǒng)的調(diào)速性能。仿真結(jié)果表明，這種模糊控制器具有比常規(guī)PID控制器更好的控制效果。
關(guān)鍵詞：模糊控制；直接轉(zhuǎn)矩控制；感應(yīng)電機(jī)；速度調(diào)節(jié)器

0 引言
    直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)是繼矢量控制技術(shù)之后又一先進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)電機(jī)參數(shù)不敏感、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速而被廣泛應(yīng)用。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，速度控制器大都是用PID控制器，傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)不能有效克服因電機(jī)參數(shù)變化、負(fù)載變化和非線性因素帶來的影響，而模糊控制適應(yīng)非線性時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制，具有魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在常規(guī)PID速度調(diào)節(jié)器由于參數(shù)固定而無法滿足系統(tǒng)高性能調(diào)速的要求時(shí)，引入模糊控制技術(shù)構(gòu)造速度模糊控制器，設(shè)計(jì)了一種模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器，根據(jù)速度偏差與偏差變化率，通過模糊推理在線調(diào)整PI參數(shù)，有效地改進(jìn)了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能，達(dá)到了較好的控制效果。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理
    直接轉(zhuǎn)矩控制的核心思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。它不需要解耦電機(jī)數(shù)學(xué)模型，而強(qiáng)調(diào)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，即用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系計(jì)算和控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，它由磁鏈估算、轉(zhuǎn)矩估算、磁鏈位置估算、開關(guān)表和調(diào)節(jié)器、逆變器等部分組成。其工作過程如下：首先由檢測(cè)單元檢測(cè)出電機(jī)定子電流和電壓值、實(shí)際轉(zhuǎn)速ω，然后輸入到感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型模塊計(jì)算出ψα，ψβ和實(shí)際轉(zhuǎn)矩值Te。ψα和ψβ通過磁鏈計(jì)算單元，得到定子磁鏈ψs的幅值|ψs|和所在區(qū)間信號(hào)SN。實(shí)際轉(zhuǎn)速ω和給定轉(zhuǎn)速ω*通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值。實(shí)際轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)矩給定值經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器處理后得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)TQ。磁鏈給定值與磁鏈反饋值|ψs|經(jīng)磁鏈調(diào)節(jié)器處理后產(chǎn)生磁鏈開關(guān)信號(hào)ψQ。開關(guān)信號(hào)選擇單元綜合ψQ，TQ和SN，通過查表的方式得到逆變器開關(guān)信號(hào)SUabc來控制逆變器提供合適的電壓驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行。

2 模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    模糊控制是一種典型的智能控制方法，以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，其基本思想是把人類專家對(duì)特定被控對(duì)象或過程的控制策略總結(jié)成一系列控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控對(duì)象或過程。與傳統(tǒng)的控制方法相比，模糊邏輯控制無需系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，具有魯棒性強(qiáng)，控制性能好的優(yōu)點(diǎn)，更適合對(duì)復(fù)雜、非線性時(shí)變、滯后系統(tǒng)的控制。模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器由常規(guī)PI控制器和模糊控制器兩部分組成，其原理如下：模糊控制器選用速度誤差e和速度誤差變化率ec作為輸入變量，利用模糊規(guī)則經(jīng)過模糊推理，輸出比例修正系數(shù)△KP、積分修正系數(shù)△KI，以在線實(shí)時(shí)調(diào)整PI控制器的參數(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)，送入DTC控制系統(tǒng)對(duì)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。圖2給出了系統(tǒng)的原理圖。
2．1 模糊變量
    本模糊控制器采用兩個(gè)輸入變量和兩個(gè)輸出控制量。兩個(gè)模糊輸入變量分別為速度誤差、速度誤差變化率，分別用e和ec表示，輸出控制量為比例修正系數(shù)和積分修正系數(shù)，分別用△KP和△KI表示。e包含7個(gè)模糊子集，相應(yīng)的語言變量為：負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)，論域?yàn)閇-1，+1]，隸屬分布函數(shù)如圖3所示。

    ec包含3個(gè)模糊子集，相應(yīng)的語言變量為：負(fù)(N)、零(z)和正(P)，論域同樣為[-1，+1]，隸屬函數(shù)如圖4所示。

    △KP，△KI分別包含4個(gè)模糊子集，相應(yīng)的語言變量為：零(Z)、小(S)、中(M)、大(B)，論域?yàn)閇0，1]，隸屬函數(shù)如圖5所示。
2．2 模糊控制規(guī)則
    模糊PI參數(shù)自整定基本原則如下：
    (1)當(dāng)系統(tǒng)偏差(|e|)較大時(shí)，為使系統(tǒng)盡快消除偏差，不管ec的符號(hào)如何，都應(yīng)取較大的KP和KI，以達(dá)到縮小偏差的目的。
    (2)當(dāng)系統(tǒng)偏差(|e|)是適中時(shí)，為防止系統(tǒng)超調(diào)過大，應(yīng)取較小的KP，同時(shí)為保證一定的響應(yīng)速度，KI要選取適中的數(shù)值。
    (3)當(dāng)系統(tǒng)偏差(|e|)較小或?yàn)榱銜r(shí)，為縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，應(yīng)選取適中的KP和較小KI的數(shù)值。根據(jù)上述調(diào)整規(guī)則和多次仿真結(jié)果，模糊控制器的控制規(guī)則如表1所示。

2．3 模糊推理和模糊決策
    模糊推理采用Mamdani推理方法，采用最大隸屬度所對(duì)應(yīng)的輸出為控制量，得到KP，KI的最終輸出值，其控制規(guī)則采用“If e=E and ec=Ec then △KP and△KI”的形式。
    參照表1可得21條控制規(guī)則。
    如"If e=PB and ec=P then △KP=B and △KI=Z”，輸出量為比例修正系數(shù)△KP和積分修正系數(shù)△KI，在線調(diào)節(jié)PI參數(shù)，達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。

3 仿真結(jié)果
    為了驗(yàn)證新型控制系統(tǒng)的正確及優(yōu)越性，選用三相鼠籠式感應(yīng)電機(jī)參數(shù)為：Pn=2.5kw，us=380V，f=50Hz，nr=1400r／min，Rs=1.85Ω，Rr=2．658 Ω，Ls=O．294 H，Lr=0．289 8 H，Lm=0．283 8 H，np=2，J=0．01 kg·m2。在Matlab 6．5中，使用Simulink庫和Power Sys-tem Blocket庫提供的模塊來構(gòu)成系統(tǒng)仿真模型。參照前文分析，搭建的仿真模型如圖6所示。

    為了驗(yàn)證模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器的有效性，在兩種相同工況下與常規(guī)PI速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行了比較。

    圖7，圖8分別給出模糊自適應(yīng)PI與常規(guī)PI在給定速度發(fā)生變化(1 000-100-500)r／min和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)(0-15-5)N·m的速度響應(yīng)波形。通過結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采用模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器的DTC系統(tǒng)速度響應(yīng)快，超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)性能好，有良好的干擾抑制能力和魯棒性，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能獲得了明顯提高，模糊自適應(yīng)PI控制具有更佳的控制效果。

4 結(jié)論
    本文將模糊控制方法應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，針對(duì)常規(guī)PI速度調(diào)節(jié)器因參數(shù)固定而無法滿足系統(tǒng)高性能調(diào)速的要求，設(shè)計(jì)了模糊控制與PI控制相結(jié)合的模糊自適應(yīng)PI速度調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)PID控制。在Matlab／Simulink環(huán)境下建立了系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，該方法不僅能夠提高系統(tǒng)的調(diào)速性能，而且還提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，證明了系統(tǒng)的可行性和正確性。