无刷直流电机直接转矩模糊控制研究

1 N Z P
2
实验结果分析
−0.01
0
0.01
Fig. 3
图 3 磁链隶属函数 The membership functions of fluxlinkage
N 1 Z P
采用上述模型 利用 MATLAB/SIMULINK软 件 对一台无刷直流电机进行了仿真研究[18-20] 无 刷直流电机参数为额定电压 UN=36V 额定转矩 TN=0.5N⋅m nN=3600r/min 相电阻R=0.66Ω 有效 电感L−M=1.4mH 转动惯量J=0.0000157kg⋅m2 图 5 6给出系统在负载转矩为0.45 N⋅m的情况下 输 出转矩和相电流的仿真波形 从图7 9给出的实验 波形中可以看到 电流和转矩的波形基本和仿真结 果相一致 通过和图8 10中没有模糊直接转矩控 制无刷直流电机的波形相比较 可以看到模糊直接 转矩控制的无刷直流电机控制系统中 相电流波形 有了很大的改观 转矩脉动也较原来减小了近 30% 图11为磁链波形 测量方法是在定子测加入 检测绕组 检测绕组开路 电压值等于检测绕组的 感生电动势 电动势的大小等于检测绕组的磁链对 时间的导数 对其进行积分 即可得到检测绕组的 磁链 从图中可以看出经过系统控制的磁链波形较 已经不是标准的正六边形 由于加入了模糊控制系 统响应的速度更快 有效抑制了转矩波动
ψ rβ = ψ rd cosθ e + ψ rq sin θ e
(5)
ψ sα = ∫ (usα − Risα )dt ψ sβ = ∫ (usβ − Risβ )dt
(6) (7)
1.2 电压矢量及模糊控制器 直接转矩控制中定子磁链是通过控制加到电 机端子上的电压来实现的 而电机的端电压又和逆 变器开关管的导通或关断有关 对于无刷直流电机 来说 根据每个桥臂上开关状态不同 可以得到 6 个非零矢量 U1(100001) U2(001001) U3(011000) U4(010010) U5(000110) U6(100100)和 2 个零矢量
第 26 卷 第 15 期 2006 年 8 月 文章编号 0258-8013 (2006) 15-0134-05
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE TM301
报 A
Vol.26 No.15 Aug. 2006 ©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号 470⋅40
U5(000110)
图 2 无刷直流电机空间非零电压矢量 Fig. 2 Nonzero-voltage space vectors for BLDCM
ψ sd = Ld isd + ψ rd
ψ sq = Lq isq + ψ rq
Ld
θ e 为转
子电角度 p 为电机的极对数 轴电感 isd
Lq 分别为 d q
U6(100100)
通常情况下 忽略交 直轴间的互感 无刷直 流电机定子绕组产生的电磁转矩在 d-q 坐标系内可 表示为 dψ r d 3 p dLd − ψ sq )isd + Te = isd + ( 2 2 dθ e dθ e (1) dψ rq 3 p dLq + ψ sd )isq isq + ( 2 2 dθ e dθ e 式中
中图分类号
文献标识码
无刷直流电机直接转矩模糊控制研究
王晓远 田 亮 冯 华
天津市 南开区 300072) (天津大学电气与自动化工程学院
Study of the Fuzzy Control on Direct Torque Control for BLDCM
WANG Xiao-yuan, TIAN Liang, FENG Hua
整流 + − + PI 调节器 − + − 调节器 开关表
Udc
PWM 逆变器 扇区选择
无刷直流 电机 位置 传感器
U0(000000) U7(111111) 其中 6 个非零矢量相互 间隔 60° 如图 2 所示 对于无刷直流电机来说 由于逆变器开关管的通断的信号来源于霍尔元 件 所以扇区的选择可以通过霍尔元件的信号来 选择 [14]
式中R为定子电阻 因此定子磁链的大小和角位置 为
ψ = ψ sα 2 + ψ sβ 2 θ = arctg(ψ s β /ψ sα )
(8) (9)
由上面的分析可知 通过控制定子磁链ψ的幅 值和旋转速度可有效地控制电磁转矩 当定子磁链
万方数据
136
中
国
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程
学
报
第 26 卷
逆时针方向旋转时 如果反馈转矩小于给定转矩 就要选择保持定子磁链 ψ同一方向旋转的电压矢 量 负载角δ尽可能快地增大 反馈转矩也就增大 一旦真实转矩大于给定转矩 就选择使定子磁链ψ 反向旋转的电压矢量 负载角δ减小 转矩也减小 用这种方法选取电压矢量 定子磁链ψ始终在旋转 其旋转方向则由滞环控制器的输出来决定 1.4 模糊控制器介绍 通过上述分析 将定子磁链误差Eψ 转矩误差 ET和θ作为模糊器输入 逆变器的开关状态作为输 出 在模糊化过程中 将模糊变量Eψ取3个模糊量 分别是正(P) 零(Z) 负(N) 转矩是控制的主要目 的 将模糊变量ET取3个模糊量 分别是正(P) 零 (Z) 负小(N) θ在平面上分为6个区间 转矩和磁 链隶属函数如图3 图4所示
(Schcool of Electrical Engineering and Automatic, Tianjin University, Nankai District, Tianjin 300072, China ) ABSTRACT: In order to improve the response speed of brushless DC motor (BLDCM) control system and simplify its structure, a novel scheme is proposed in this paper. Direct torque control (DTC) scheme and fuzzy control strategy are combined in the new scheme. DTC has the advantage of fast response and simple system structure. However, its torque ripple is relatively high. The robustness of fuzzy control strategy can appropriately compensate the deficiency of DTC mentioned above. According to the error between torque and its reference value and the error variance ratio, the active time of space voltage vector can be solved by fuzzy logic to reduce torque ripple. The proposed control system not only shows good transient performance and a simple architecture, but also comparable with traditional control method in other aspects. A simulation with MATLAB was done to draw a comparison between the proposed control system and ordinary systems. Finally, the simulation and experimental results prove that the fuzzy DTC method makes effective control on torque and current, and it offers more excellent steady and transient performance than traditional methods. KEY WORDS: brushless DC motor; direct torque control; voltage space vector; fuzzy logic control 摘要 为简化无刷直流电机控制系统的结构同时又能使其具 有较快的转矩响应速度 论文提出一种新颖的控制方案 将 直接转矩控制和模糊控制相结合应用于无刷直流电机控制 系统中 直接转矩控制省掉了复杂的矢量变换 使系统结构 简单且响应迅速 但是转矩脉动相对较大 而模糊控制鲁棒 性强 根据转矩偏差和转矩偏差的变化率 模糊调节电压矢 量作用时间 减小转矩脉动 新型的控制策略不仅具有良好 的动态特性和简单的结构 其它性能也可与传统的无刷直流 电机控制系统相媲美 利用MATLAB对系统进行了仿真 并
基金项目 天津市自然科学基金项目(023602911)
对两种不同控制方法的实验结果进行比较 通过比较可以看 到模糊直接转矩控制方法实现了对转矩和电流的有效控制 更优于传统的控制方法 关键词 直流无刷电机 直接转矩控制 空间电压矢量 模 糊控制
0 引言
无刷直流电机(BLDCM)具有恒定机械转矩和优 良机械功率特性 结构简单 运行可靠 维护方便 且具备良好的调速特性而无机械式换向器 得到了 广泛的应用[1-3] 直接转矩控制技术是一种高性能交流调速技 术 它应用空间矢量的分析方法 采用定子磁场定 向 在控制思想上与矢量控制不同的是直接转矩控 制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流 不需 要复杂的坐标变换 因此具有结构简单及动态响应 速度快等优点 模糊控制基于知识和经验 能对难 以建模的复杂非线形系统进行有效控制 适合解决 混沌系统的控制问题[4] 通过模糊控制器对逆变器的 开关状态进行最佳控制 以获得转矩的高动态性能 较传统的直流无刷控制系统来说 直接转矩控 制在更简单的控制结构中具有更好的动态特性 本 文将直接转矩控制技术应用于无刷直流电机控制 通过直接控制电机的磁链和转矩 获得对无刷直流 电机响应速度快 有效抑制转矩波动的控制效果[5-7]