带零矢量永磁同步电机直接转矩智能控制方法

带零矢量永磁同步电机直接转矩智能控制方法李光叶万健如刘英培袁臣虎天津大学电气与自动化工程学院天津300072摘要：针对传统永磁同步电机直接转矩控制中，由于磁链观测误差、滞环宽度等因素引起的转矩脉动问题，通过采用径向基神经网络完成对定子磁链的估计、模糊控制器替代传统的滞环比较器、利用包含零矢量的空间电压矢量控制方法，构建了一种基于智能方法的永磁电机直接转矩控制方法，实现了永磁同步电机磁链和转矩的协同控制，将磁链偏差和转矩偏差进行了合理的模糊分级,有效的抑制了转矩脉动，同时保持了直接转矩控制的响应速度快和鲁棒性强的优点.仿真和实验验证了该方法的可行性和有效性。

关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；模糊控制；径向基神经网络Permanent Magnet Synchronous Motor Direct TorqueControl With Zero Vector Based onInteligent Method Abstract:There are many torque ripples in traditional direct torque control (DTC) for permanent magnet synchronous motor(PMSM) drive, which are caused by the error of flux linkage estimation and hysteresis band amplitudes,etc.To solve these problems ,a radial basis Function (RBF) neural networks was designed to estimate the stator flux linkage, and fuzzy controller, in which zero-voltage vector is used, was designed to replace the traditional hysteresis controllers. Therefore, intelligence DTC strategy was accomplished. concerted control between flux linkage and torque is realised. The flux linkage error and torque error are classified reasonably by fuzzy controller and electromagnet torque ripples are dramatically reduced. Meanwhile, rapid torque response and strong robustness of direct torque control method are still maintained. The simulation and experiment results have verified the feasibility and effectiveness of this method.Key words:Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM); Direct Torque Control (DTC); Fuzzy Control; RBF Neural Networks1引言直接转矩控制[1-2]是继矢量控制后发展起来的又一高性能调速方法，目前该项技术己经成功应用在异步电机上。

随着永磁材料的迅速发展，电力电子技术和控制技术的进步，稀土永磁电动机将越来越多地替代传统电动机，应用前景非常乐观。

从上世纪90年代中期开始，人们将研究热点转到永磁同步电机直接转矩控制中来，并取得了一些成绩，但存在着难以克服的转矩脉动；此外，当电机状态发生改变时，常规DTC方式可能1出现滞环控制器输出和定子磁链位置信号在多个采样周期内保持不变的情况，导致这些采样周期内逆变器的开关状态相同，这意味着系统开关频率发生变化且不恒定，功率器件的容量无法得到充分的利用[3]。

针对上述问题，近十年来，人们也提出一些11质检公益性行业科研专项经费资助（2007GYB172)2.高等学校博士学科点专项科研基金(20060056054)。

3.天津市自然科学基金(05YFJMJC11500)有意义的改进方法：大多数学者用模糊控制器替代传统方法中的滞环比较器[4-5]；部分学者集中在对运行中的定子电阻进行在线补偿[6]；也有学者把包含零矢量的控制策略应用到了永磁同步电机直接转矩控制系统中，但这些措施只是部分的弥补了产生脉动的因素，并不能有效地全面地解决问题，转矩的脉动依然存在，并没有得到明显的抑制。

为了抑制传统永磁电机直接转矩控制系统产生的转矩和磁链脉动，提高永磁同步电机直接转矩控制系统的动静态性能，尤其是低速时脉动大的问题，本文尝试将智能方法应用到传统的控制系统中。

用径向基神经网络完成对定子磁链的估计、采用模糊控制器替代传统的滞环比较器，并且利用包含零矢量的空间电压矢量控制方法构建了新的基于智能方法的永磁电机直接转矩控制系统。

2永磁同步电机直接转矩控制2.1 永磁电机以定子磁链定向的数学模型 正弦波永磁同步电机一般没有阻尼绕组，转子磁通由永久磁钢决定，恒定不变。

为了能直观的分析永磁电机控制的原理，本文只选用按定子磁链定向的x-y 坐标系下的数学模型，其它坐标系下的模型方程可在此坐标系方程的基础上通过坐标变换得到。

图1给出了四种常用坐标系之间的空间分布关系。

图1 坐标系相对分布图Fig. 1 Distribution diagram of different reference frame若忽略定子电阻，定子磁链与转子磁链间的夹角δ就是功角。

稳态运行时，功角为一个常数，定子磁链、转子磁链同步旋转。

在过渡过程中，δ是变化的，由于电气时间常数与机械时间常数相比很小，因此定子磁链的旋转速度比转子磁链的旋转速度容易改变。

给定在x-y 坐标系下的磁链方程为：（1）由于采用定子磁链定向，即将x 轴方向固定在定子磁链上，可得y ψ=0，且s ψ=x ψ则sin q sψδψ=，cos d sψδψ= （2）式中s ψ为定子磁链 转矩方程为：3[2sin ()sin2]4n s f q s q d e d qP L L L T L L ψψδψδ−−=（3）从公式（3）可以看出电磁转矩由两部分组成，第一部分是由永磁磁链产生的励磁转矩，第二部分是由电机的凸极性引起的磁阻转矩。

故永磁同步电机的输出转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值及定转子磁链夹角δ的正弦值有关。

在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值以充分利用电动机铁心，永磁同步电机转子磁链幅值一般为恒值。

要改变电动机转矩的大小，可以通过改变定转子磁链夹角的大小来实现，这就是直接转矩控制的指导思想[7]。

2.2 电压矢量对磁链和转矩的影响逆变器输出电压直接加到永磁同步电机的定子上，得到定子电压为s u 。

定子磁链s ψ与定子电压s u 的关系由下式确定：()s s s s u R i dt ψ=−∫ （4）若忽略定子电阻s R 上压降的影响，定子磁链s ψ可直接用电压空间矢量的积分表示:s s u dt ψ=∫ （5）这表明定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间近似为积分关系，这样定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹，对应于相应的电压空间矢量的作用方向，s ψ的运动轨迹平行于u s 指示的方向。

由公式(3)可知，当保持定子磁链为恒值，电机的电磁转矩随着与定转子磁链夹角的变化而变化。

因此，尽可能快的改变这个夹角可得到快速的转矩响应。

图2 磁链空间电压矢量控制图为明确电压空间矢量对直接转矩控制的磁链和转矩的控制,应将空间矢量平面分为如图2所示的六个区域。

把磁链矢量运行于区域Ⅰ并以逆时针运转为例，如要求增大磁链值,可选U 2和U 6,若此时要求减小转矩,可选U 6和U 5,综合考虑时,发现满足增大磁链并减小转Fig.2 Control principle of flux linkage based on SVPWM矩以实现逆时针运行的电压空间矢量U6。

根据这种考虑方式，可以得到不同情况下所需的电压矢量。

3带零矢量智能DTC系统3.1 控制系统总体结构本文所提的控制系统[8-9]结构如图3所示，在常规永磁同步电机直接转矩控制系统基础上，针对存在的问题，将智能方法应用到常规永磁电机直接转矩控制系统中，用径向基神经网络完成对定子磁链的估计，采用模糊控制器替代传统的滞环比较器，并且利用包含零矢量的空间电压控制方法构建新的基于智能方法的永磁电机直接转矩控制系统。

3．2 模糊控制器设计本文采用三输入模糊控制器替代原来的滞环比较器和电压矢量开关表。

模糊控制器将加入零电压矢量作为输出，故控制器的输出为7个离散的电压空间矢量，直接分为7个单点模糊子集u={u0,u1,u2,u3, u4,u5,u6}，输入量为转矩误差（TE）、磁链误差（FE）和磁链角度（θ）。

图4示出了该模糊控制器的结构图，图中的FLC由模糊化、模糊推理和解模糊三部分组成。

图4 模糊控制器的结构图将精确输入、输出量的控制范围根据已确定的语言值量化分档，将磁链偏差和转矩偏差经过式[])10exp(1)10exp(12xx−+−−变换到模糊论域[2,2]，在永磁电机直接转矩控制系统中，电机转矩与磁链需同时控制，由于磁链较转矩更容易控制，因此当两者的需求出现冲突时，通常首先考虑的是转矩。

基于上述考虑，FLC 的输入量FE、TE和θ分别取为3、5和2个模糊子集，而输出为7个单点模糊集无需进行解模糊。

隶书度函数由图5所示。

矩控制中引入零矢量的可行性,并与滞环控制相结合进行了实验验证.本文改进了这种情况，将零矢量作为模糊控制器的一个输出量,如表1所示, 通过将磁链偏差和转矩偏差进行更加合理的分级,从而更有效的抑制了转矩脉动 .3．3 径向基神经网络磁链估计器的设计径向基神经网络是具有单个隐含层的三层前向网络，此隐含层也称径向基层，该层神经元采用径向基函数作为其激励函数,该函数一般选用高斯形函数，具有形式简单、径向对称、光滑性好和任意阶导数存在的优点。

基于以上径向基神经网络的优点，本文采用径向基神经网络替代传统直接转矩控制中的磁链计算单元，构建基于径向基神经网络磁链观测器[11]。

图6 径向基神经网络磁链观测器结构图如图6所示，该模型由输入层、径向基层、输出层组成。

磁链估计器的输入选为两相坐标系中的定子电压u α、u β，定子电流i α、i β，绕过了时变的定子电阻。