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第2 9卷第 1期20 07年 1月

北京科技大学 学报J u n lo iest fS in ea d T c n lg in o r a fUnv ri o ce c n eh oo yBe ig y j

Vo . 9 No. I2 1

Jn a .2 0 07

一

种减少永磁同步电机转矩脉动方法张春梅刘贺平马保柱陈书锦汪芳君北京科技大学信息工程学院，北京 10 8 003

摘

要

对内埋式永磁同步电机直接转矩控制系统特性进行了深入研究 .针对内埋式永磁同步电机直接转矩控制存在较大

脉动转矩的缺点，出了一种新的永磁同步电机直接转矩控制策略 .以减小转矩脉动为目标引入模糊逻辑思想，磁链偏差提将

和磁链偏差的变化率进行了合理的模糊分级，糊调节选择电压矢量和反电压矢量作用时间 .种方法可以保持恒定的开关模这频率并有效地减小转矩脉动 .了获得高性能的无速度传感器内埋式永磁同步电机控制系统，计了一种无速度传感器方为设案 .后，过仿真验证了所提控制策略的有效性 .最通关键词分类号永磁同步电机；模糊逻辑；接转矩控制；转矩脉动直 T 9 15 M 2 .

直接转矩控制技术不需要解耦电机数学模型，

传统永磁同步电机直接转矩控制存在大的转矩脉动，没有一个逆变器开关矢量能够产生恰好的定

强调对电机转矩进行直接控制，定子磁链代替转用子磁链，具有响应速度快、电机转子参数变化鲁棒对

子电压，使该电压可以产生所期望的转矩和磁通变化，因而直接转矩控制系统产生较大的转矩和磁链脉动，并且逆变器的开关周期不恒定 .与在整个开关周期施加单一的一个电压矢量不同，如果该开关

性强和实现简单等优点，因而直接转矩控制自提出便受到广泛关注 .1 9 9 6年 A B首次宣布了采用直 B

接转矩控制技术的商业产品，在仍有大量研究在现努力提高直接转矩控制的性能 .

周期的一部分时间施加这个电压矢量，其余时间施加反电压矢量，则转矩脉动会减少，这就是占空比控制法 .当占空比 a在 0

~1间变化时，之逆变器在每一

永磁同步电动机在电动汽车等要求电机功率密度高、行效率高的领域得到了快速发展和广泛应运用 .内埋式永磁同步电动机多采用以电流控制为核心的矢量控制方法，要精确的转子位置 .作为一需

开关周期可以给电机施加 0 VD之间的任何幅~ C

值电压 .和传统的受限开关状态 D C方法相比，故 T 增加了可供选择的空间电压矢量 .文献[] 6中提出

种在异步电机控制中提出和发展起来的新型控制方法，直接转矩控制 ( TC在永磁同步电动机中的应 D )用研究近几年也取得了许多成果【 2. 1] - 直接转矩控制也有许多缺点：较大的磁链、矩转

了在线计算最优占空比算法，是这种算法太复杂，但 耗费很大的计算资源，易实现 .本文提出一种控不制策略，即应用模糊逻辑控制来减少转矩脉动，并给出了此种方法的原理和波形图来说明这种控制策略的性能 .

脉动，化的逆变器开关频率，变低速时转矩和磁链控制困难 .年来有很多学者在努力减少转矩脉动和近提出具有固定开关频率的直接转矩控制策略 .采用

多电平逆变器，以有更多的电压矢量控制磁链与可转矩获得期望的转矩叫] .但是，低转矩脉动和降

1占空比控制永磁同步电机直接转矩控制需要较少的传感器和对电机参数具有较强的鲁棒性 .永磁同步电机在转子坐标系下的数学模型为：

得到固定开关频率的代价是增加系统成本和复杂性 .献[]道了另一种具有固定开关频率和低文 5报转矩脉动直接转矩控制方案，是转矩磁链控制需但要两个 P调节器，们需要合理整定 P调节器参 I它 I数，而且 P调节器对参数、 I负载和速度的变化敏感 .收稿日期： 0 5 1 -6修回日期： 0 6 )- 0 2 0— 12 2 0￣ 5 1基金项目：自然科学基金项目资助项目( .0 70 2;京市教委 No 6 34 3 )北重点学科共建项目( .0 0 2 8 No 00 2 6 )作者简介 g张春梅 (9 8 )女，士研究生；刘贺平 (9 1 )男。 16一，博 15一， 教授。士生导师博

L[。口口L [ c L[J

Ll+ JJ q a户 f o J R L+孙其中，dM U,为 d轴和 q轴定子电压；d为 d轴 i,和 q轴定子电流；为定子电阻， ,为 d轴 R。 Q; L和 q轴电感；为转子角速度，a -;为电磁转 rd S T矩， m;,为定子和转子磁链 . N 西f 对于隐极式永磁同步电机， d L:L:L。。,

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第 1期

张春梅等：一种减少永磁同步电机转矩脉动方法

[[ 可解 i:为i= {n s 8 i

[]2 ( )() 3

因为 z轴固定在定子磁链上，以：0所 .由式 ( ) 2

由此得：T= 1 3 sn= 1 i 3n￡

圈 1 P M模糊逻辑 D C系统框图 M￥ TF g. Blc c e e o h v lf z y D T i 1 o k s h m ft e no e u z C

() 4

电磁转矩的微分为：

dI 户 c?:詈“ fs t 02 t : l L ￡ o

( 5 )

2模糊逻辑实现2 1系统控制方案 .模糊永磁同步电机直接转矩控制在常规永磁同

如果在[/,/]围内变化，程 ( )一兀 2兀 2范方 5的右边总是正的 .表明电磁转矩正比于定转子磁链这之间的角度 .因此在保持定子磁链幅值恒定的同

步电机直接转矩控制系统基础上，加了模糊逻辑增控制器 .模糊控制器输出为占空比。据磁链的偏根

时，过改变定子磁链旋转速度和方向就可瞬时调通整，实现转矩的动态控制，正是永磁同步电机直这接转矩控制的基本思想 . 对于内埋式永磁同步电机，≠ L, 。电磁转矩方程为：

差和磁链偏差变化率模糊调节所选择的电压矢量和反电压矢量作用时间 .模糊控制器以磁链误差 T、链误差变化率 磁 AT作为输入，制量 a作为输出变量 .在磁链误 控

差论域上定义了五个模糊语言变量，大 (负 NB)负，[￣L s 3- 2 f qi L -L )i 8 n q ds 2 n ) 小 ( )零 ( o)正小 ( S,大 ( B .在磁链误 NS, z, P )正 P )差变化率论域上定义了七个模糊子集{负大 ( B) N,负中 ( NM)负小 ( )零 ( E)正

小 ( S,中， NS, Z, P )正

丁=

由此得电磁转矩的微分为：

f= t= 0

Ls q o ot=0

—￣2 Lca,s )] o() 7

( M)正大 ( B} P, P ) .在控制量误差论域上定义了七

个模糊子集{ ( E)非常小 ( )小 ( )正小零 Z, vs, S,(B, S )中大 ( MB)大 ( )非常大 ( ) .模糊控制， B,Ⅶ}规则如表 1示 .对应于转矩误差非常大，七条所有规则，的规则数为 4 .输入变量隶属度函数选对总 9所示.表 1模糊控制规则

可以求得满足譬>0的条件是< dI t l .

令T= 0以出值对的称、匀分布、交迭的三角形隶属度函数，图 2 l=可求极所应最均 dt, 0全如一一

大负载角：

[

]( 8 )

Ta l 1 Fu z u e be z y r ls

△

其中， B:L q L d

f就是说为保证系统稳定应 .也NB NM NS ZE PS P M P B

NB VB vB VB S VS VS ZE

NM VB VB M B S B S S S

NS VB B B M B VS M B SB

ZE B M B B ZE B MB B

PS S B M B VS MB B B VB

PM S S S SB M B VB VB

P B Z E VS VS S VB VB VB

有≤一 .,

在永磁同步电机直接转矩控制中，通过开关表来控制定子和转子之间磁链角的微分，择合适的选电压矢量控制电磁转矩在给定转矩上下变化，以可

控制每个开关周期正、电压矢量的作用时间来降反低逆变器的开关频率和减少转矩脉动 .图 1为采用模糊逻辑控制正反矢量作用时间的永磁同步电机直接转矩控制系统框图 .

模糊控制器的控制规则可由 , 和描△

述， i规则可写成 Ri第条：麓羹 饕

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北

京

科

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大

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学

报

第2 9卷

2 2无速度传感器方案 .

当电机稳态运行时，永磁同步电机定子旋转速度与转子旋转速度相等，∞。 即=∞ .在转子坐标系中有：磁链误差， Wb

图 2 A的隶属度函数分布 。F g. M e e s i it i u i n o u z a i be i 2 mb r h p d s r b to f f z y v r a ls A口 e

rd It d—￡daa )一trn』 c dt(=

do s

() 1 J 3 、

一：

I f

i A a d△ i Bi h n口 i Di s n s e t s

( 9)

声 +

其中， 分别属于，△和口模糊子 A,B,D集.

d d =—= 一

。。

( 5 1) ( 6 1)

利用 Ma a i md n模糊推理方法，出第 i控制得条决策为：D (z=mi( I. f,) ,) n。, (z )口：mi( I n ( ,. ( )丁 ) AT ) ( 0 1) ( 1 1)

可得转子速度为：(一 i ) d (—i )。 o 一 d d R。 R。 ( 7 1)

采用低通滤波器可以去掉由于电流和电压微分、噪音引起的高频脉动 . 2 3仿真实验 .为了验证本文所提出方案的正确性，图 1对所

式中，e,

( ,. ( ,丁 ) △丁 ) . (z是模糊变量 ,)

△,口的模糊子集 A,和 D的隶属度函数 B2 5

集， 1 .所以模糊控制变量 a的隶属度为： ~5/ () 2口=ma ( D, ) N x (z ) (2 1)

示的模糊逻辑永磁同步电机直接转矩控制系统进行了大量的仿真研究，真实验所用的永磁同步电机仿参数如表 2 .仿真中，子磁链保持恒定，为定05 3 b .5 W,电磁转矩给定在 t .5时， 8 r=0 0 S由 N n

模糊集的个数多，糊控制器的灵敏度好 .在模隶属度函数全交迭时，般情况下，于每个输入一对

(,胡)会同时激活四条规则，的输出是这 胡△都总四条规则的加权平均 .种并行机制是模糊控制器这鲁棒性强的内因 .选欠交迭隶属度函数会减弱模糊

变为 6 r,样时间为 1 0 .图 4 a所示为传统 N l采 r 0 s ()永磁同步电机直接转矩控制系统的电磁转矩随时间

控制器的鲁棒性 .为增强鲁棒性，控制变量口的隶属度函数选对称、均匀分布、全交迭的三角形隶属度函数 .控制变量 a的隶

属度函数分布如图 3所示 .

变化的动态响应曲线， 4 b所示为采用模糊逻辑图 ()的永磁同步电机直接转矩控制系统的电磁转矩随时间变化的动态响应曲线 .从图中看出，电磁转矩脉动明显减少 .图 5所示为定子磁链轨迹和定子电流

响应曲线 .从图中看出，定子磁链非常接近圆 .图 6表 2永磁同步电机参数Ta e 2 Pa a e e s o h e m a e tm a n ts n h o o s m o o bl r m tr ft e p r n n g e y c r n u tr

极对电枢电磁链， d轴电感， q轴电感，定功率，定电压。额额 图 3口的隶属度函数分布№ . Me es i i r u ino z a ibe口 3 mb rhp ds i t f u yv r l tb o f a

数，P阻， ', RJ￣ q I dwh a mH L/ P。w L/ mH/4 2. 50 87 0. 5 5 3 4 8 4. 】 2. 0 7 10 0 0

U。v/1 2 3

图 4转矩响应曲线 .I )为传统 D C.I )为模糊逻辑 D C a T b TF g 4 T r n n e h a i D C a a d t dl T b i. o g eu d rteb sc T I ) n mo l e h￣d D C I )

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第1 期

张春梅等：种减少永磁同步电机转矩脉动方法一^ⅢⅢ.煅浆 _ _

星增龆

斌脚

磁链/ Wb

图 5磁链轨迹 ( )电流响应曲线 ( ) a和 bF g 5 F u a a d c re tw v f ms( ) i . lx( ) n u rn a eo r b

一IⅢ.,掌 II J嘲辱 -! )

时间/ s

时问/ s

图 6系统速度响应 .()为实际速度，( )为估计转速 a bFg 6 T eme rd s ed ( )a det t e d( ) i . h ￣u e p e a n si e s e b ma d p

所示为转速给定由 5 0rmi变到 7 0rmi时 0 n 0 n无速度传感器系统的实际转速和估计转速 .

【] Ta,L 3 n z i Y,L .A￣r t o u o to o n ut nm tr iM c tq e r ecnrl fidci o o o

bsdo he- vln etr/ rcI E E C 0

1 4 5 ae ntrel eivre/P o E E P S。2 0:1 3 e[] Mat sC,R b a X,Me adT A,C ra oA .S i hn 4 ri n oom n y r ayl h S wt ig c

3结论本文提出一种新的无速度传感器永磁同步电机

fe u n yi o iina dtp e r d c ini rq e c mp sto n i pl e u t o nDTC tv b s i d e yu n a i s g

mute e c n e e . E E Tr o e lcrn 0 2 1 ( ) llv l v r r I E i P w rE e to,2 0, 7 2: i o t ms2 6 8

模糊逻辑直接转矩控制系统，以有效地减少转矩可脉动并保持恒定的开关频率 (别是在低速的时特

[] 5

Y S A nw apoc o i c tru onrlfn ut nmo . e p raht dr to ec t o idci e q o ot rd i e f rc n t ti v re wic i fe u nc n dt r u ip o rv s o os a n n e tr s t h n r e ya g q o q et—

候 )控制输出转矩和限制开关频率的变化 .新的模，糊逻辑直接转矩控制策略介绍了一种两状态 (统传方法选择的有效矢量和反电压矢量 )节方法，调并在

p u t n I E r n r yC n e s 0 1 6 3: 2 i r ci . E E T i E eg o v r。2 0,1 ( ) 2 0 ee d o ms

[] KagJ u 6 n,S l S.Ne i t o u nrl fn ut nmoo r w dr r ec t d ci trf c e tq o o o i o omi i m or u p l d c n t t s t h n r q e c n mu t q e t p e a s a wi i f e u i n o n c g n y.I EEE

T a I d A p,1 9。3 ( ) 0 6 rm n p l 9 9 5 5:1 7

每一采样周期计算最优占空比 .真结果验证了所仿提控制策略的有效性 .参考文献

[] Mi S 7 r,El lkM b u E.P eio o u nrlnivr r e u r s ntr ec t e e- i c i q o o i n t f n d

d ci c ie i uz gc/ rcI E E C’5 9 5 ut nmahn

u n fzyl i Po E EP S 9,19: o ss g o/39 6

[] R mea L r s 8 o r ,A i A,A db E t 1 o e￣r t o u on l a la a,e a.N vl e tr ec s c qt lD o r ( TC)sh mewi uz d p i oq et p e u n c e t fz y a a t e t ru - p l r￣m . h v i e d

g【】 Z o 1 h n

L,Ra a h m M F,Hu W Y,e 1 t a .Die tt r u o tol r r c o q e c n r l e

I E T i sI d E e t n 0 3 0 3: 8 EE r n l r,2 0,5 ( ) 4 7 m c o

f r p r ne t o e ma n ma n t s n h o o s g e y c r n u mo o d i e . I t r r s EEE i v Trms

[] TeodD,Dung rM W,Wii B W . n vlo u-p l 9 lr f n ial la lms A o tr et pe e q iE嘲 C I I￥ 9 9 4 3: 3 oI l,1 9,1 ( ) 6 7 I￣ V, Ra ma h n M F, e 1 A o e t a. n v l￣r t c e rdu e￣bn s r tg o rd r tt r u o n r 1 EEE Tr t a e yf i c e o ec t .I q o i msI d E e - n l c ogLM【】 Ta g L X, Zh n 2 n

t r u c n r lf r i t t e ma e t ma ne y c r n u t r o q e o t o o e or p r n— g t s h o o s mo o n i n nd i e wih lw p l n t r u n u - p e - e s res p rv t o t pe i o i q e a d f x- s e d s n o ls a l a

to,2 0,4 ( ) 8 7 rn 0 1 8 4: 6

[ O张春梅，贺平，玉锋 .基于径向基函数网络的永磁同步电 1]刘王

机直接转矩控制 .控制与决策，0 5 2 ( ) 83 2 0。0 7:0

po c .I E r d A p,2 0,3 ( ) 7 8 r ah E E T i I p l 0 3 9 6:1 4 ms n

(转第 16页 )下 0

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第2 9卷

S m ua in o i e e c a

a tr e r n t m p o e u t— O M e wo k i 1to fCh n s h r ce sla nig wih i r v d m liS n t r

D U Da e g, M U Z ih n, C pn hc u HEN J n ig,F ANG n XiI fr t nE gn eig S h o,Unv ri f i c n e h oo yB in,B in 0 0 3 hn no mai n ier c o l o n i s yo e ea d T c n lg e i e t c S n j g ej 1 0 8 C ia i g

ABSTRACT I r e o smu a e t n o d rt i lt he Chi e e c r ce c u ston pr c s, t s p pe e p a mu tly rs l n s ha a t ra q iii o e s hi a rs tu lia e ef -

og nz gmas ( O )n t ok mo e bsd o mpo e o o e ewok ra i n p S M i ew r d l ae n i rvd K h nn n t r .T emo e’ up tma s h d l so tu p,whih a a d fe l rt m n x a d n u o sn i hb h o c d ptmo iid ago ih a d e p n e r n’ eg or o d,we ec nn c e i soca ie l su d t d r o e td vaa s itv i p a e nk

b b in l a n n .Afe r i i g t emo e o l a n Ch n s h r ce r h t cu es c e su l n l o y He b a r i g e tr tan n h d l u d l r i e c a a t ra c i t r u c s f l a d a s d c e e e y owe1i i e e c m ce o o e tr c gn to 1 n Ch n s ha t rc mp n n e o ii n.Th i ua in r s lsd mo s r t d t tt e fa i lt ff r e sm lto e u t e n t a e ha h e sbi y o u— i t e e e r h i ne e c a a t ra q iiin a d e e i e e ln ua e la n n t hi d lwa o sb e h r r s a c n Chi s h r c e c u sto n v n

Ch n s a g g e r i g wih t smo e sp s i l . KEY ORDS S W OM e wor nt k;muli y r tl e;Chi s h r c e e r i g;Chi e e c a a tra c t c u e;Ch n s a ne ec a a t rla n n n s h r c e r hie t r iee c a a t rc mp n nt h r c e o o e s

(上接第 8 9页 )

To q e rp l i i ia i n i ie t t r u c n r l o e m a nt m a ne y r u i p e m n m z to n d r c o q e o t o f a p r ne g t s n— c r n u oo h o o sm t rZ HANG h n i C u me,LI He ig, U p n MA a z u,C B oh HEN h jn, WANG a g U S ui F njnI oma i n ie r h o,Unv ri f i c d T h o g e i,B in 0 0 3 hn f n r t nE n i S o l o g g n c ies y o e ea e n l yB in t c S n n c o j g e i 1 0 8,C ia j g

A S R C T ebs er f i c ru o t l D C o tr rp r n n g e sn ho o s— BT A T h ai t oyo r t oq ecnr ( T )fr nei ema e tman t y c rn u ch de t o i o mo tt I MS )w ss de .A e p rah t i c oq ec nrl fa nei e a etma ntsn os(P M a t i u d nw apo c o dr ttru o t n itr rp r n n g e y— e oo o mc r n u t rwa r s n e o d c e s o q erp e n o d rt mp o et e sa i n y a cp ro a e h o o s mo o s p e e t d t e r a e t r u i pl.I r e O i r v h t tca d d n mi e f r nc m

o h y t m,a f z y l g ci e si t o u e n o t e s s e .I h u z i c r u o to y t m,t e ft e s se u z i a wa n r d c d it h y t m o d n t ef z y d r t

t q ec n r l se e o s h fu r o n h u ro h n ewe eb t r p r i i e t e e a u z u s t .Th c i g t f h l x e r ra d t e f x e r rc a g r o h p o e l d vd d i o s v r l z y s b e s l y n f ea tn i o e me te e t d v la e v c o n e e s ola e v co r d a e a e u z nfr n e.A p e tm a in s lce o t g e t ra d r v r e v t g e t r we e mo ult d b s d on f z y i e e c s e d e i to s s he s i e r t d wih t e p o o e c me wa nt g a e t h r p s d DTC c e e i r r t c e e a f l e s re gh p ro a c s h m n o de o a hiv u l s n ls hi - e r n e y o f m I PM SM rv .Th c me n t o l an an o sa t s t h n r q e c d ie e s he o n y m i t i s c n t n wic i g fe u n y, b t as rdu e o q e rp l, u l o e c s t r u i p e p r iua l t lw p e a tc lry a o s e d.Si a i n i u ta e h p r to nd p ro a c ft r p s d f z y l g cba e multo l s r t st e o e a i n a e r n e o hep o o e u z -o i- s d l f m c to lr on r l . e E K Y ORDS p r a ntma e y h o o s mot r u z o c;d r c o u o t o;t r u i p e W e m ne gn ts nc r n u o;f z y lgi ie tt r e c n r l o q e rp l q