1 引言
直接轉矩控制方法是1985年由德國魯爾大學的depenbrock教授首次提出來的，它是繼矢量控制技術之后發展起來的又一種新型的交流調速技術。在傳統直接轉矩控制方案中，它以系統的轉矩誤差、磁鏈誤差以及定子磁鏈的位置為參考量，通過合理的選擇逆變器的開關狀態，從而達到對電動機的定子磁鏈和電磁轉矩進行直接控制的目的。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，不需要與直流電動機做比較、等效、轉化等，因此其避開了復雜的矢量旋轉坐標變換和計算。直接轉矩控制以定子磁場定向，只需要電動機的定子參數，從而減少了參數變化對系統性能的影響，其目前已經成為交流傳動領域的一個新熱點[1]。
2 直接轉矩控制方案中的一些問題
直接轉矩控制方案本身也有一些問題需要引起足夠的重視:
(1) 直接轉矩控制由于沒有專門的電流環，在剛開始起動時，在轉矩和磁鏈同時增加的情況下，易引起過電流，從而使起動失敗;
(2) 直接轉矩控制由于采用滯環控制，其控制方案本身會產生較大的轉矩的磁鏈紋波[2][3]。
在傳統直接轉矩控制方案中，一般采用在一個周期內只施加一種電壓開關狀態的方法[3]，這常常使得在一個周期循環的早期，定子磁鏈和電磁轉矩就已經超過了其參考值，而在接下來的開關周期中通過施加零矢量，以將其電磁轉矩減少到參考值。這常常會帶來較高的轉矩脈動。靠提高功率器件開關頻率或者改變逆變器本身的拓樸結構(多電平)的方法，能減少轉矩和磁鏈紋波，但其開關頻率的提高受到微處理器及器件本身開關頻率的限制，增加了器件本身的開關損耗，而多電平的方法又增加了控制電路的復雜性和提高了控制成本。
在直接轉矩控制方案是，所選擇的電壓矢量對轉矩的影響，不但取決于所選擇的電壓狀態，而且還和電動機的工作點有關(電動機當前的轉速和轉矩值)[3]。如當電動機運行在高速或中速重載時，那些使電動機電磁轉矩增加的開關狀態，實際上只帶來較少的轉矩增加量，而那些被認為能維持電動機當前轉矩不變的零狀態，實際上卻使當前的電磁轉矩減少，而那些使電磁轉矩下降的開關狀態，會引起電磁轉矩更大的下降[3]，因此要想獲得高性能的直接轉矩控制，就不得不考慮電動機當前所處的工作狀態。由此我們考慮，如果將所選擇的有效的電壓開關狀態與零電壓之間進行調制，首先將所選擇的有效的電壓狀態施加到逆變器上足夠長的時間以達到參考轉矩和磁鏈的值，而在剩余的開關周期時間里，選擇一個零電壓矢量，以使轉矩和磁鏈幅值基本維持不變，那么，在每一個開關周期，通過在[0～1]之間改變其占空比σ，就可以向電動機施加任何電壓[4]。
在每一個采樣周期中的最合適的占空比σ，是電磁轉矩誤差、定子磁鏈位置和由電動機工作點決定的一個非線性函數。很顯然，要對這么一個函數(表達式)建模將非常困難，因為對每一個工作點來說，其均為不同的非線性函數，而模糊邏輯在處理非線性函數時，有自己特有的優勢，因此，通過使用一個基于模糊邏輯的占空比控制器，就可以得到每一個采樣周期的優化占空比。
3 模糊邏輯直接轉矩控制
3.1 直接轉矩控制的基本原理
異步電動機中產生的轉矩可以有多種表示方法，其中的一種是[5]:
(1)
電動機的磁場強度即定子磁通的大小，直接取決于由下式所決定的定子電壓的大小:
(2)
由電動機的等效電路可以知道，轉子磁通矢量對于定子電壓的反應與定子磁通相比有點緩慢。而且，由于漏電感的低通濾波作用，轉子磁通波形也要比定子磁通平滑。由此可以看到，通過選擇合適的電壓矢量，控制定子磁鏈的走走停停，就可以達到控制電動機的定子磁鏈λs和轉矩角θsr的大小，從而達到對電動機的定子磁鏈和轉矩的控制。
在傳統直接轉矩控制中，其控制方式采用bang－bang控制，由轉矩滯環、磁鏈滯環產生的誤差信號以及電動機的定子磁鏈所在的扇區來決定對逆變器所施加的電壓狀態，從而達到對電動機定子磁鏈和轉矩控制的目的。其定子磁鏈分區和相應的逆變器開關狀態選擇表如圖1和表1所示[6]:從中可以看出在每一扇區只有四個電壓矢量可用，在第一扇區各電壓矢量作用如圖1所示，圖1中，fi:磁鏈增加;fd:磁鏈下降;ti:轉矩增加;td:轉矩減少，如在一扇區v2使磁鏈和轉矩都增加，而v5使磁鏈和轉矩都下降，v1、v4棄用，因其對轉矩作用模糊。
圖1 傳統直接轉矩分區與相應電壓矢量對轉矩和磁鏈的影響
表1 傳統直接轉矩控制逆變器開關狀態選擇表
3.2 模糊直接轉矩控制原理
模糊直接轉矩控制系統是模糊邏輯占空比控制器與傳統直接轉矩控制的結合，其由傳統直接轉矩控制首先選擇出所需施加的開關狀態，然后再與相應的零電壓矢量進行調制，其占空比由模糊邏輯占空比控制器給出。其唯一不同的是:在模糊直接轉矩控制系統中，轉矩滯環采用二值而不是三值，也就是在不考慮零狀態的情況下，傳統直接轉矩控制逆變器開關表中只用到其中的四列。其原理框圖如圖2所示:其中虛線框內為模糊邏輯控制部分(bλ、bt分別為磁鏈滯環和轉矩滯環的輸出信號，所在扇區由定子磁鏈所處的位置確定)。
圖2 模糊邏輯直接轉矩控制原理圖
(1) 模糊邏輯占空比控制器結構
模糊邏輯占空比控制器有兩部分組成，模糊邏輯控制器一給出每一個開關狀態在第一個初始時間的占空比σ，模糊邏輯控制器二是一個自適應占空比控制器，其輸出為占空比的增量δσ，只要所選擇的電壓狀態未變，考慮到上一個采樣周期給出的占空比所帶來的轉矩的變化量可能會預測到下一個采樣周期占空比的增量，以減少轉矩誤差，因此建立了此自適應模糊邏輯控制器二。
模糊邏輯控制器一、二結構如圖3所示。
圖3 模糊邏輯控制器一、二結構圖
(2) 模糊控制器各輸入量及其隸屬度函數
模糊邏輯控制器一有3個輸入量:
定子磁鏈位置(每一扇區內)在其論域內定義3個模糊子集，隸屬度函數分布如圖4和5所示。圖中，n-vl:負極大; n-l:負大; n-m:負中; n-s:負小; z:零; s:正小;m:正中; l:正大; vl:正極大。
圖4 磁鏈位置模糊子集 圖5 轉矩誤差模糊子集
轉矩誤差在其論域內定義了6個模糊子集，其隸屬度函數分布如圖5所示:“tei”的值如下:te1=5%tn, te2=10%tn, te3=20%tn.這里tn是轉矩的額定值。
電動機的工作點隨電動機轉速和轉矩的不同而不斷的轉移，這里我們以ωpc=tpc為界將其劃分為3個不同的區域:ωpc為電動機的實際轉速與額定轉速之比，tpc為電動機的參考轉矩與額定轉矩之比，二者均以百化數的形式表示，并各自在其論域內定義了3個模糊子集。其隸屬度函數分布所圖6和7所示。其“ωti”的值如下:ωt1=120，ωt2=200，ωt3=275，ωt4=100，ωt5=185，ωt6=27。
圖6 電動機工作點模糊子集ωpc<tpc
圖7 電動機工作點模糊子集ωpc>tpc
其輸出占空比在其論域定義了五個模糊子集，為簡化計算，并考慮工程實際，我們將其占空比定義為模糊單點集，如圖8、圖9所示。其“dci”的值如下:dc1=0.15，dc2= 0.5，dc3=0.75 。
圖8 模糊控制器一輸出占空比模糊子集
圖9 模糊控制二輸出占空比增量模糊子集
模糊邏輯控制器二有2個輸入量，其分別為前次轉矩誤差與前一次的轉矩誤差增量，其分別在各自的論域中定義了7個和6個模糊子集，其隸屬度函數如圖10所示，“tei”的值在兩種情況之下均定義c:te1=1%tn，te2=5%tn，te3=10%tn，tn是轉矩的標定值。
圖10 模糊控制器二兩輸入量，左前次轉矩誤差，右前次轉矩誤差增量
其輸出占空比增量δδ在其論域定義了9個模糊子集，為了簡化計算，我們仍然將其定義為單點集，“δσi”的各數值如下:δσ1=0.08，δσ2=0.15，δσ3=0.35 ,δσ4=0.5。
(3) 模糊控制推理規則及反模糊化方法
模糊控制規則依據各模糊控制器的輸入量，采用if —then語句，各輸入量之間的關系取與“and”，模糊推理采用mamdani推理法，解模糊采用重心法。其內部結構如圖11所示。
圖11 模糊控制器一內部結構圖
模糊邏輯控制器一包括4組規則，每一組又包括46條規則，其中的兩組用于當定子磁鏈的小于其參考值的情況(磁鏈上升)，另外兩組用于其相反的情形(磁鏈下降)。雖然其中的兩組對應于一種情形，但在任何一種情況之下，每一個周期只用到其中的一組，而這取決于電動機所得的工作點:fi:磁鏈上升; fd:磁鏈下降。
這里只給出其中的一組模糊控制規則表，如表2所示。其對應于磁鏈上升(fi=1)，且ωpc<tpc時的工作情況。
表2 模糊控制器一推理規則表:fi=1;ωpc<tpc
模糊控制器二由37條規則所組成，其控制規則表如表3所示。
表3 模糊控制器二推理規則表
4 模糊邏輯直接轉矩控制的工程實現
基于上述模糊直接轉矩控制原理，我們構建了一個樣機試驗平臺，其原理結構如圖12所示。其為一個雙微處理器結構。數字信號處理器(dsp)tms320lf2407a是一個從處理器，它執行控制算法的大部分程序。模擬信號經處理后送入dsp內部的adc模塊，其采樣頻率為50khz。為方便dsp與驅動電路之間進行通訊，我們設立了一個32位的ttl輸入/輸出接口。
圖12 樣機試驗平臺結構示意圖
pc機是一個主處理器，它同樣執行程序代碼。它允許修改和編輯dsp和pc機程序，監視dsp運行狀態，并可以通過dram和isa總線與dsp進行數據交換，將參考值和結果以ascii格式保存到它的內存中。
直流發電機在這里做為一個負載使用，其負載的變化可以通過外接電阻值來方便的改變，試驗所用的感應電動機主要數據如下:
pn=1kw， f=50hz， vn=380v， in=2.8a，
rs=7.13ω， rr=8.18ω， lδ=0.301mh，
lm=0.6040h，j=1.2kg.m2，p=2，te=6.7n.m2。
5 實驗結果
以樣機試驗平臺為基礎，將保存在計算機內存當中的ascii文件輸出，得到如圖13、14、15和16的試驗波形，從中可以看出，其電流波形較好，電流諧波分量較小，磁通較接接近圓形，轉速超調量不大，且很快可以達到穩定。
6 結束語
直接轉矩控制是繼矢量控制之后在交流傳動控制理論上的又一次飛躍，它避免了對電機參數的強烈依賴性，魯棒性很好，同時又可達到很高的動態性能。采用模糊控制與傳統直接轉矩控制結合的模糊邏輯直接轉矩控制，能夠比較有效的減少由原方案帶來的諧波，提高了系統的動靜態特性。同時，它改變了傳統直接轉矩在一個周期內只施加一種開關電壓矢量的方法，避免了在采樣周期初期就出現的轉矩或磁鏈超調的情況，減少了不必要的開關損耗，提高了電能的利用效率。
圖13 樣機電流波形 圖14 樣機磁鏈軌跡
圖15 樣機線電壓波形vab 圖16 樣機轉速響應曲線
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
