摘 要:为解决四开关逆变器驱动永磁同步电机的常规直接转矩控制(DTC)中磁链和转矩脉动较大、逆变器开关频率不恒定的问题,提出采用滑模控制器替代常规DTC中的滞环调节器以获得所需电压矢量,并采用空间矢量调制策略获得固定的逆变器开关频率。为避免常规滑模控制器输出抖动对系统性能的影响,引入了模糊控制器以平滑系统输出。仿真结果表明,采用该策略能有效抑制磁链和转矩脉动,同时能保持DTC系统固有的转矩快速响应特性和强鲁棒性。
关键词:直接转矩控制;永磁同步电机;四开关逆变器;滑模;模糊逻辑
永磁同步电机(PermanentMagnet Synchro-nousMotor,PMSM)已广泛应用于交流伺服及电气传动系统,其控制策略也已从矢量控制逐步发展到高性能的直接转矩控制(DirectTorque Contro,lDTC)[1]。传统DTC具有结构简单、响应快速、对系统内部参数摄动和外部干扰鲁棒性强等优点,但仍存在电流、磁链和转矩脉动较大,低速性能较差,逆变器开关频率不恒定等问题。
相对于常规六开关逆变器而言,四开关三相逆变器减少了开关和为开关提供逻辑信号的接口电路数量,降低了成本和开关损耗,同时简化了提供逻辑信号的控制运算法则,减少了实时计算负担[2]。因此,设计人员对四开关三相逆变器的应用也展开了很多研究,包括对四开关逆变器驱动的PMSM DTC系统的研究。研究结果表明,四开关逆变器驱动的DTC系统也存在着磁链和转矩脉动较大、逆变器开关频率不恒定的问题[3]。
四开关系统仅存在四个非零电压矢量,针对常规六开关逆变器所设计的增加零矢量、用模糊控制器替代滞环控制器、采用多电平变换器等方法均不适用于四开关系统。而比较有效的空间电压矢量调制方法由于引入了PI调节器,系统稳态性虽得到了提高,但该方法并未能体现DTC固有的转矩快速响应的特点[4]。因此,本文将模糊滑模控制策略引入四开关逆变器驱动的PMSM DT系统中,以期解决传统DTC中存在的上述问题。滑模控制器的设计通常是先选择切换函数,再根据滑模的存在性、可达性条件,系统正常运行段的动态品质要求,以及滑模运行段的动、静态特性要求等,设计理想的滑模控制器。本文选择指数趋近律来设计滑模控制器,并引入模糊控制的思想以减小滑模切换时的高频抖动。
根据常规DTC系统框图[1],可得到基于模糊滑模变结构控制策略的四开关三相逆变器驱动PMSM DTC系统结构框图。系统的控制部分主要包括模糊滑模控制器模块和空间矢量调制(SVM)模块,其余与常规DTC系统相同。DTC的基本原理是对转矩和磁链的直接控制,通过选择施加合适的电压空间矢量使得磁链和转矩严格跟随其给定值。
本文提出了一种四开关逆变器驱动的基于模糊滑模的PMSM DTC策略。积分形式滑模切换函数的选取、指数趋近律的设计以及模糊逻辑的引入,使得系统具有优异的动、静态性能,对参数变化及干扰等具有极强的鲁棒性。与传统DTC系统相比,模糊滑模控制策略只需经过软件实现,因而系统运行并不会增加硬件成本,但其对控制器性能有较高要求。
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