基于模糊逻辑的pmsm转矩谐波反馈控制-帅海燕.pdf
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1、 D驱动控制rive and control 2018年第46卷第1期 帅海燕等基于模糊逻辑的PMSM转矩谐波反馈控制26 收稿日期:2017-06-27基金项目:湖北省教育厅科学技术项目(B20128702)基于模糊逻辑的PMSM转矩谐波反馈控制帅海燕1,邹必昌2(1.武汉交通职业学院,武汉430065;2.长江大学,荆州434023)摘 要:为了应对永磁同步电机(PMSM)驱动系统的转矩脉动问题,设计了一种基于模糊逻辑和转速谐波反馈的PMSM转矩脉动优化控制策略。控制方案中使用转速谐波幅值和增量作为闭环模糊逻辑电流控制器的输入,以达到控制转矩脉动的目的,由于采用的是电机转速测量,故不依赖于
2、电机参数,且避免了一些系统非线性因素影响,从而鲁棒性较好。分析了PMSM输出转矩谐波和转速谐波的相关性,并基于分析建立了转矩谐波数学模型,方便了控制器的设计。基于PMSM驱动系统实验室平台,进行了不同负载工况下的驱动试验,试验结果验证了该控制策略的有效性。关键词:永磁同步电机;模糊逻辑;谐波;反馈;转矩脉动中图分类号:TM351 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2018)01-0026-06Harmonic Feedback Control for PMSM Torque Ripple Based on Fuzzy LogicSHUAI Hai-yan1,ZOU Bi-chang
3、2(1. Wuhan Technical College of Communications,Wuhan 430065,China;2. School of Electronics and Information of Yangtze University,Jingzhou 434023,China)Abstract:In order to solve the problem of torque ripple in permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive sys-tem, a PMSM torque ripple optimal cont
4、rol strategy based on fuzzy logic and speed harmonic feedback was designed. In thecontrol scheme, the amplitude and increment of the harmonic was used as the input of the closed-loop fuzzy logic currentcontroller to achieve the purpose of controlling the torque ripple. As a result of the motor speed
5、 measurement, it was not de-pendent on the motor parameters and not affected by the system nonlinearity, and thus a better robustness. The correlationbetween the output torque harmonics and the speed harmonics of PMSM was analyzed, and the mathematical model oftorque harmonics was established based
6、on the analysis, which facilitated the design of the controller. Based on the labora-tory PMSM drive system test platform, the driving tests under different load conditions were carried out. The test resultsverify the effectiveness of the new control strategy.Key words:permanent magnet synchronous m
7、achine (PMSM); fuzzy logic; harmonic; feedback; torque ripple0引 言基于永磁同步电机(以下简称PMSM)的伺服系统存在的转矩脉动将产生机械振动和噪声,这将降低系统性能和应用范围,如电动汽车或机器人系统等1-2。故有较多文献开展了对转矩脉动优化控制的研究3-6,具体而言,大多数控制策略可分为两类,一种是优化电机设计3-4,以降低齿槽转矩或特定次磁链谐波;另一种是施加先进的控制策略5-6,控制定子电流以对转矩脉动进行抑制。其中后一类方案具有较好的通用性从而应用广泛。转矩脉动控制的关键是优化定子电流以补偿对应的转矩谐波7,可分为前馈补偿方
8、法和反馈控制方法。前馈补偿方法需要准确的转矩脉动模型来确定最优定子电流。例如,文献8中设计了一种基于神经网络的最优定子电流计算方法,但高度依赖于电机参数。由于模型和预测受到磁饱和和其他系统非线性因素影响,难度较大9。而反馈控制方法则基于转矩估计实现反馈控制以降低转矩脉动,但需要较高的估计精度。文献10提出了一种转矩预测控制来最小化转矩脉动。然而,依然对电机参数变化敏感,即预测转矩没有独立的实际测量,若测量转矩则意味着高昂的成本,是难以工程应用的。此外,文献11和文献12使用转速误差进行转矩脉动抑制,原理是速度谐波和转矩谐波相关联的。其中文献12结合使用了转速误差反馈和迭代学习控制策略用于控制转
9、矩脉动,但并未考虑转速误差包含了一些非转矩脉动引起的谐波,且计算负担重。本文基于上述研究提出了一种使用转速谐波幅值作为反馈控制信号的新型转矩脉动抑制方案。由于转速谐波可从转速编码器获得,所以避免了一些系统非线性因素的影响。首先,对转矩谐波与转速之间的关系进行了建模。然后,分析定子谐波电流万方数据 2018年第46卷第1期 D驱动控制rive and control 帅海燕等基于模糊逻辑的PMSM转矩谐波反馈控制27 如何对转矩脉动产生影响,为电流控制器的设计奠定基础。最后通过试验对新方案进行了验证。1转速谐波和转矩谐波关系分析PMSM的机械方程10:Te - TL = J dmdt + Bm
10、(1)式中:Te为PMSM的输出转矩;TL为负载转矩;J为转动惯量;B为粘性摩擦系数;m为转子机械转速。从式(1)可以看出,转矩谐波可以导致相同次的转速谐波。为此,将转矩和转速写成直流分量和谐波分量组合的如下形式:Te = Te0 + kTekcos(k - ek) (2)m = m0 + kmkcos(k - k) (3)式中:Te0为平均转矩;Tek和ek为第k次转矩谐波的幅值和相角;m0为平均转速;mk和k为第k次转速谐波的幅值和相角;为转子位置。将式(2)和式(3)代入式(1),同时假设负载转矩不存在谐波,则可得到:Te0 - TL = Bm0 (4)Tekcos(k - ek) =
11、Bmkcos(k - k) - kJpm0mksin(k - k) (5)式中:p是极对数。基于式(5),转矩谐波幅值和转速谐波幅值的关系:Tek = mk B2 - (kJpm0)2 (6)考虑到实际中B远小于kJpm0,所以式(6)可简化:Tek = kJpm0mk (7)从式(7)可看出,第k次转速谐波幅值mk正比于第k次转矩谐波幅值Tek,而与平均转速m0成反比。 mk可从转速测量中获取,故考虑作为反馈信息。根据文献7,PMSM的转矩谐波通常由几个数量有限的频次为主导,如6次和12次谐波,根据实际测试,试验用PMSM的转矩谐波以12次谐波为主导,图1为试验测得的第12次转矩谐波幅值和转
12、矩谐波幅值的关系曲线。曲线验证了式(7)的正确性,下面将利用m12作为反馈信号进行转矩脉动优化控制。图1 第12次转矩谐波幅值和转速谐波幅值的关系曲线2转矩脉动建模由PMSM输出转矩公式10:Tek = 32 p (Ldqidq + dq)T idq + iTdq ddqd + Tcog(8)式中:Ldq = diagLd, Lq为d-q轴电感矩阵;dq =d, qT和idq =id, iqT分别为d,q轴磁链矢量和电流矢量;Tcog为齿槽转矩;“”是交叉乘积符号,具体定义:a b c dT = ad - bc (9)从式(8)可看出,转矩谐波主要是由磁链谐波、电流谐波和齿槽转矩引起的。当电机
13、设计完成后,磁链谐波和齿槽转矩不可控,但可以通过注入受控电流抑制转矩纹波。d-q轴磁链表达式和齿槽转矩13表达式如下:dq = dq0 + kdqk = 0 0+kdkcos(k - k)kqksin(k - k)(10)Tcog = kTckcos (k - ck) (11)式中:0为磁链直流分量;dk和qk为第k次d,q轴磁链谐波分量;k为对应相角;Tck是齿槽转矩的第k次谐波分量;ck为对应相角。图2为试验用电机的额定工况下转矩波形和主要频次的频谱。从图2中明显看出,第12次谐波占(a)转矩波形(b)谐波频谱图2 额定负载条件下的PMSM转矩波形和频谱谐波含量的主导,故后续采用其作为控制
14、对象,令k=12,如果电机含有多个主导谐波分量则可以分别对其进行建模。将式(10)和式(11)代入式(8),可得:Te = Te0 + Te12m (12)Te0 = 1.5p0iq0 + (Ld - Lq)id0iq0 (13)Te12m = cos(12 - ) + Tc12cos(12 - c12)(14) = 1.5p i2q0 (d12 + 12q12)2 + i2d0 (q12 + 12d12)2(15) = 12 + tan-1 - id0(q12 + kd12)iq0(d12 + kq12)(16)式中:id0和iq0为d,q轴电流的直流分量。为了抑制转矩谐波,控制定子电流分为
15、两个部分:一部分用于产生所需转矩平衡负载转矩;另一部分为谐波电流万方数据 D驱动控制rive and control 2018年第46卷第1期 帅海燕等基于模糊逻辑的PMSM转矩谐波反馈控制28 用于最小化转矩脉动。具体如下:idq = idq0 + kidqk = id0iq 0+kidkcos(k - ik)kiqksin(k - ik)(17)式中:idq0 =id0, iq0T为d,q轴直流电流矢量;idqk是第k次谐波电流;idk和iqk为谐波电流幅值;ik为对应相角。如前所分析,第12次谐波占主导,故考虑k=12后的式(17)简化:idq = idq0 + idq12 = id0i
16、q 0+ id12cos(12 - i12)iq12sin(12 - i12 )(18)将式(18)代入式(8)中,则由第12次电流谐波产生的第12次转矩谐波:Te12c = cos(12 - ) (19) = 1.5p(Ld - Lq)iq02i2d12 +0 + (Ld - Lq)id02i2q12 12 (20) = i12 + tan-1 0 + (Ld - Lq)id0iq12(Ld - Lq)iq0id12(21)基于式(14)和式(19),第12次转矩谐波总和:Te12 = Te12m + Te12c = cos(12 - ) + cos(12 - ) +Tc12cos(12 -
17、 c12) (22)控制电流idq12可使得Te12c和Te12m相互抵消,以实现转矩脉动抑制。考虑到电流谐波将导致一定的铁损和铜耗,约和谐波幅值的平方成正比14。因此,还需要尽量降低谐波幅值。理想情况下,为实现Te12 =0控制目标,从而有:cos(12 - ) + cos(12 - ) +Tc12cos(12 - c12) = 0 (23)简单推导即有:cos(12 - ) =- cos(12 - ) - Tc12cos(12 - c12) (24)仅考虑上式的幅值,结果: = (cos +Tc12cos c12)2 +(sin +Tc12sin c12)2 12 =2 + T2c12 +
18、 2Tc12cos( - c12) (25)基于上式,谐波电流幅值必须满足: 2 + T2c12 + 2Tc12 = + Tc12 (26)此外,从式(20)可以看出,对于表贴式PMSM:1) d轴电流谐波不会产生转矩纹波;2)若幅值相同,d轴谐波电流较之q轴谐波电流将产生较少的转矩脉动。故仅考虑注入q轴谐波电流,从而式(20)和式(21)可以简化: = 1.5p0 + (Ld - Lq)id0iq12 (27) = i12 + 2 (28)将式(27)代入式(26)可得:iq12 2( + Tc12)3p0 + 3pid0(Ld - Lq)(29)i12 0,2 (30)从式(19) 式(2
19、2)可以看出,iq12和i12对第12次谐波幅值都具有影响,故分析计算了两者不同取值下,第12次转矩谐波幅值的分布如图3所示。图3中iq12从1 A变化至3 A,而i12从2变化至32 。基于图3,给定一个固定的iq12,随着i12的增加,Te12的幅值先减小,然后再增加。当i12在0. 7,1. 3范围内,对于一个固定的i12,随着iq12的增加,Te12的幅值也是先减小,然后再增加。下面将基于此进行模糊逻辑控制器(以下简称FCL)的设计。图3 第12次电流谐波幅值、相角与第12次转矩谐波的关系3基于模糊逻辑的闭环电流控制设计FLC的主要目标是使用第12次电流转矩谐波幅值作为反馈来抑制转矩脉
20、动Te12,其次尽量减少谐波电流的幅值以减小谐波电流带来的损耗。图4为FLC控制器的框图。 FLC的输入参数是转速谐波幅值m12及其导数m12,具体如下:m12(t) = H Dm(t) (31)m12(t) = m12(t) - m12(t - 1)t (32)式中:t代表时间;t为采样时间。在实际控制器实施中,为了减小计算负担,采用一种新型的速度谐波检测H D(m(t)取代FFT算法来检测速度谐波,具体见后续试验部分。图4 分层模糊逻辑控制器框图FLC控制器的输出谐波电流的幅值iq12和相角i12用于最小化Te12,iq12和i12需要满足式(29)和式(30)。 FLC可以被视为输入语言
21、变量m12和m12到输出语言变量iq12和i12的映射,可表示:u(t + 1) = FLCm12(t),m12(t) (33)式中:u包含两个输出iq12和i12。 FLC设计采用分万方数据 2018年第46卷第1期 D驱动控制rive and control 帅海燕等基于模糊逻辑的PMSM转矩谐波反馈控制29 层结构,即iq12和i12输出解耦,然后两个控制单元FLC1和FLC2交错控制,直至转矩谐波幅值最小化。首先,控制器初始设置较小电流量级并调节相角,直到转速谐波幅度最小化。如果转速谐波大小在可接受水平内,即进行保持;否则,控制器就将增加电流幅值,再次调节相角以期达到更好效果。持续上述
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