無刷雙饋電機模糊直接轉矩控制系統研究

李 冰 劉 石

(華北電力大學科技學院1，河北 保定 071000；華北電力大學控制與計算機工程學院2，北京 102206)

無刷雙饋電機模糊直接轉矩控制系統研究

李 冰1劉 石2

(華北電力大學科技學院1，河北 保定 071000；華北電力大學控制與計算機工程學院2，北京 102206)

針對傳統直接轉矩控制方法控制無刷雙饋電機(BDFM)存在的轉矩脈動大、開關頻率不固定等問題，提出了一種基于DSP的模糊直接轉矩控制策略。利用模糊控制系統設計軟件WinFACT進行了模糊控制器設計，并將其轉換為C程序代碼后移植到DSP中，實現了無刷雙饋電機模糊直接轉矩控制系統的軟、硬件設計。試驗結果表明，該控制方法在保持傳統直接轉矩控制優點的基礎上，能夠有效減小轉矩脈動，改善直接轉矩控制的性能。

無刷雙饋電機(BDFM) 模糊控制 轉矩脈動 DSP 直接轉矩控制(DTC) WinFACT 智能功率模塊 逆變器

0 引言

無刷雙饋電機(brushless doubly-fed machines，BDFM)由2套獨立的定子繞組(功率繞組和控制繞組)和特殊結構的轉子組成，具有結構簡單、無電刷、運行可靠、所需變頻器裝置容量較小等特點[1]。直接轉矩控制(direct torque control，DTC)具有控制結構簡單、轉矩動態響應快、魯棒性強、對電機參數依賴性小等優點，解決了矢量控制存在的結構復雜、計算量大、對參數變化敏感等問題[2]。傳統DTC采用雙滯環控制器，分別對轉矩和磁鏈進行控制，在每個采樣周期中僅有1個電壓矢量起作用，無法實現對轉矩和磁鏈誤差的完全補償，會造成轉矩和磁鏈的脈動較大[3]。為了解決DTC存在的轉矩脈動問題，近年來國內外學者提出了各種智能控制方案，其中模糊直接轉矩控制策略得到了越來越多的關注[4]。雖然有學者也進行了無刷雙饋電機的模糊直接轉矩控制研究[5-7]，但僅限于仿真，并未進行試驗驗證。

本文通過對模糊直接轉矩控制策略的分析，利用WinFACT軟件設計了模糊直接轉矩控制方案，并將其轉換為C程序代碼后移植到DSP，實現了無刷雙饋電機模糊直接轉矩控制系統的軟硬件設計。最后通過構建無刷雙饋電機試驗平臺進行了試驗驗證。試驗結果表明，該控制策略能夠有效降低轉矩和磁鏈的脈動。

1 系統總體結構與硬件設計

無刷雙饋電機的模糊直接轉矩控制系統主要包括上位機、DSP、電流傳感器、電壓傳感器、轉速傳感器、IPM智能功率模塊和無刷雙饋電機等。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

Fig.1 Overall structure of the system

電壓傳感器和電流傳感器用于檢測無刷雙饋電機功率繞組和控制繞組的電壓、電流，所采用的傳感器為具有快速響應特性的霍爾傳感器，采集到的電壓、電流信號經過信號調理電路轉換為0～3 V電壓信號后送至DSP的A/D采樣電路；轉速傳感器電路用于采集無刷雙饋電機的實時轉速，采用北京三晶創業科技公司的JN338AE型旋轉式增量編碼器測量電機轉速，分辨率為1 024 PPR；增量編碼器輸出的正交脈沖信號通過光耦隔離電路送至DSP的增強型正交編碼脈沖(enhanced quadrature encoder pulse,eQEP)模塊輸入端實現轉速測量；三相逆變器電路采用日本三菱電機公司的PM150RLA120型IPM智能功率模塊[8];DSP輸出的脈寬調制(pulse width modulation,PWM)驅動信號經光耦隔離后驅動逆變器產生三相交流電，并被送至控制繞組，以控制無刷雙饋電機的運行。

控制器采用TI公司C2000系列高性能32位浮點DSP控制器TMS320F28335[9]，其采用高性能靜態CMOS技術，主頻最高可達150 MHz，具有較強的實時控制能力；16通道12位帶流水線結構的高速模數轉換器可實現快速數據采集；3個具有16級深度FIFO的串行通信接口(serial communication interface,SCI)模塊可實現與上位機串行通信；6個獨立的PWM模塊用于逆變器驅動信號輸出；2個eQEP模塊為旋轉編碼器提供直接接口，以獲取高精度的轉速信數據。DSP控制器主要實現數據采集、坐標變換、模糊控制運算、輸出逆變器PWM控制信號等功能，并將采集到的電壓、電流、轉速數據及計算處理后的轉矩、磁鏈等數據通過串行通信接口發送至上位機；上位機通過LabVIEW軟件進行數據的實時顯示和保存，同時,LabVIEW軟件可通過串行通信接口向DSP發送給定轉速等控制命令。

2 軟件系統設計

2.1 無刷雙饋電機的模糊直接轉矩控制

無刷雙饋電機的模糊直接轉矩控制程序主要包括主程序和定時器中斷服務子程序。其中，主程序用于實現系統初始化、任務建立、中斷允許、IPM故障保護等功能；定時器中斷服務子程序用于產生逆變器PWM驅動信號，是軟件設計的核心。采用Timer 0實現定時中斷，采樣周期Ts=200 μs。在每個采樣周期開始時，DSP通過A/D轉換模塊、eQEP模塊，分別讀取無刷雙饋電機功率繞組和控制繞組電壓、電流以及電機轉速信號;由轉速PI調節器計算電磁轉矩給定值，對電壓、電流信號進行坐標轉換后估算電磁轉矩、控制繞組定子磁鏈和磁鏈角，并與轉矩給定值、磁鏈給定值比較后得到各自誤差;轉矩誤差、磁鏈誤差與磁鏈角送入模糊控制器后，由模糊控制器對輸入信號模糊化，并根據模糊規則輸出合適的空間電壓矢量控制信號，以實現對逆變器的控制。功率繞組與控制繞組電壓、電流、轉矩、轉速等數據通過串行通信接口送至上位機進行顯示與保存，并進入下一個采樣周期。模糊直接轉矩控制[6]的中斷服務子程序流程圖如圖2所示。

圖2 中斷服務子程序流程圖

Fig.2 Flowchart of interrupt service subroutine

2.2 模糊控制規則

本文中，模糊控制器的輸入分別為轉矩誤差、磁鏈誤差和控制繞組磁鏈角，輸出為所選擇的空間電壓矢量。該控制器由模糊化、模糊推理、解模糊3部分組成。轉矩誤差在其論域[-2，2]上定義了5個模糊子集{NL，NS，EZ，PS，PL}，磁鏈誤差在其論域[-0.05，0.05]上定義了3個模糊子集{N，Z，P}，磁鏈角θ在其論域[0，2π]上定義了12 個模糊子集{θ1,θ2,…,θ12}。模糊控制器的輸出為確定的電壓空間矢量，無需進行模糊化，可直接分為8個單點模糊子集{U0，U1，U2，U3，U4，U5，U6，U7}。

模糊控制規則以IF- THEN形式表示[4]，第i條規則Ri表示為：

Ri:ifEψ=AandET=Bandθ=θjthenU=Uk式中：A、B、θj分別為轉矩誤差、磁鏈誤差、磁鏈角;Uk為空間電壓矢量單點集，i=1～180;j=1～12,k=0～7。

模糊控制規則共有180條模糊規則,部分模糊控制規則如表1所示。模糊控制器采用Mamdani推理算法，取最大隸屬度對應的輸出量作為逆變器的電壓矢量輸出。由于該模糊推理輸出的是空間電壓矢量的單點模糊集，因此無需解模糊[10]。

表1 部分模糊控制規則Tab.1 Part of fuzzy control rules

轉矩誤差μ(ΔTe)、磁鏈誤差μ(Δψc)、磁鏈角μ(θ)的隸屬函數示意圖如圖3所示。

圖3 模糊直接轉矩控制隸屬函數示意圖

Fig.3 Membership function of fuzzy-DTC

2.3 模糊控制器的編程實現

基于DSP的模糊控制程序采用C語言實現，直接轉矩模糊控制器包含3個輸入量、1個輸出量以及180條控制規則。采用WinFACT軟件進行模糊控制器的設計，將程序轉換為C語言代碼后，實現了在DSP上的運行。WinFACT是專門為模糊控制系統而設計的應用軟件，是Windows環境下的圖形化開發工具，支持整個模糊控制系統開發周期[11-12]。

WinFACT具有模糊邏輯操作程序(fuzzy logic operating program,FLOP)和模糊應用C代碼生成器(fuzzy application C code generator,FALCD)2個工具包。其中，FLOP用于模糊控制器的設計，主要功能包括定義模糊子集、建立模糊規則、實現模糊推理、模糊控制過程仿真、為其他應用提供DDE接口等；FALCO工具用于將FLOP設計的模糊控制器轉換為C程序代碼，通過裁剪與整理后可以移植到DSP上，實現模糊控制算法的應用。

FALCO產生的C程序代碼包含2個文件：FuzzyDTC_F4.h和FuzzyDTC_F4.c。.h頭文件定義了模糊控制所需要的接口函數，.c文件描述了模糊控制器的結構和模糊規則，將輸入量隸屬度、輸出量隸屬度、模糊規則等定義為數組，供模糊算法運算時調用。

由FALCO產生的模糊控制器代碼主要包含4個函數，并在.h頭文件中進行了定義，分別為：

void FuzzyDTC_F4_SetNumType(void) ;

// 參數格式判別函數

void FuzzyDTC_F4_init(void) ;

//初始化函數

voidFuzzyDTC_F4_calc(

const NumTypeF4_t i0,

const NumTypeF4_t i1,

const NumTypeF4_t i2,

NumTypeF4_t *o0) ;

//模糊運算函數

void FuzzyDTC_F4_free(void) ;

//內存釋放函數

當所需參數準備就緒后，可以通過調用FuzzyDTC _F4_calc函數來進行模糊運算。

實現無刷雙饋電機模糊直接轉矩控制的主要代碼如下：

void FuzzyDTC_F4_init(void)

{

FCF4_init(&FuzzyDTC_F4_FC,&FuzzyDTC_F4_FCMem);

}

//模糊控制器初始化

FuzzyDTC_F4_FC為模糊控制器語法規則定義結構體，包括輸入輸出數量、模糊規則數、輸入量隸屬度、輸出量隸屬度、模糊規則、權重、模糊推理算法等。FuzzyDTC_F4_FC定義如下：

staticconst FuzzyControllerF4_t FuzzyDTC_F4_FC=

{

3,

1,

180,

FuzzyDTC_F4_Input,

FuzzyDTC_F4_Output,

FuzzyDTC_F4_RuleBase_pre,

FuzzyDTC_F4_RuleBase_con,

FuzzyDTC_F4_RuleBase_weight,

MAX_MIN,

DEFUZZY_COG,

60,

AND_MIN,

OR_MAX

}

模糊運算函數FuzzyDTC _F4_calc()通過調用WinFACT定義的FCF4_calc()函數來進行模糊運算，調用格式為：

void FuzzyDTC_F4_calc

{

……

FCF4_calc(&FuzzyDTC_F4_FC,&FuzzyDTC_F4_FCMem,ai,ao);

……

}

參數的類型與數量必須與所定義的一致。運算前，FCF4_calc()會對所有參數進行檢查。

運算結束后，通過調用FuzzyDTC _F4_free()函數，釋放當前運算所占用的內存空間。

void FuzzyDTC_F4_free(void)

{

FCF4_free(&FuzzyDTC_F4_FC,&FuzzyDTC_F4_FCMem);

}

3 試驗結果

為了對所提出的無刷雙饋電機模糊直接轉矩控制進行試驗研究，設計了一套基于TMS320F28335數字信號處理器的無刷雙饋電機試驗系統。試驗系統采用1臺直流發電機作為模擬負載，由霍爾傳感器采集功率繞組和控制繞組電壓、電流數據，增量編碼器采集電機轉速；采用日本三菱電機公司的PM150RLA120型IPM智能功率模塊作為逆變器電路。TMS320F28335數字處理器作為控制系統核心，實現了數據采集、模糊控制算法運算、PWM驅動信號輸出，并通過串行通信接口與上位機通信，實現了DSP與上位機的數據傳輸。上位機通過Labview軟件接收電流、轉速、轉矩等數據，并對其進行實時顯示和存儲。

逆變器開關頻率為5 kHz，給定控制繞組磁鏈幅值為|Ψc_ref|=0.85 Wb，轉動慣量J=0.8 kg·m2；電機空載啟動時進入同步速后，給定轉速為nr=624 r/min，穩定運行后，加40 N·m的負載運行一段時間后負載再次變為空載。

試驗所用的無刷雙饋電機參數如表2所示。

表2 無刷雙饋電機參數Tab.2 The parameters of BDFM

圖4是轉速、轉矩、功率繞組A相電流、控制繞組A相電流的試驗曲線。

圖4 試驗曲線

Fig.4 Curves of test

由圖4(a)可知，當電機空載啟動時，轉速快速升至給定轉速，啟動過程時間較短，轉速響應動態性能較好；穩定運行后,加減負載時的轉速波動較小。

由圖4(b)可知，當電機空載啟動時，轉矩為零;給定轉速變化時，轉矩會產生波動。穩定運行加負載時，轉矩快速跟蹤給定轉矩，控制過程中轉矩脈動較小，減負載時，轉矩波動依然較小。

由圖4(c)可知，功率繞組電流在啟動時的電流波動較大，直至穩定運行后電流趨于穩定。當電機增加負載時，功率繞組電流增大;減少負載時，電流減小。

由圖4(d)可知，控制繞組電流在啟動時的電流波動較大，控制電機快速達到給定轉速，穩定運行后電流趨于平穩。當電機增加負載時，電流減小;減少負載時，電流增大。

4 結束語

在對模糊算法原理與TMS320F28335特點進行分析的基礎上，設計了無刷雙饋電機的模糊直接轉矩控制系統，對系統的結構和模糊控制過程進行了詳細的介紹，并利用WinFACT實現了模糊控制算法的設計以及C程序代碼的轉換;將其移植到DSP5后，通過試驗對其控制性能進行了驗證。試驗結果表明，試驗過程所實現的無刷雙饋電機模糊直接轉矩控制與仿真運行時的結果基本一致，驗證了該控制系統的有效性和可行性。

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Research on the Fuzzy Direct Torque Control System for Brushless Doubly-fed Machines

To deal with the large torque ripple and inconstant switching frequency of the traditional direct torque control method for brushless doubly-fed machines (BDFM),a fuzzy direct torque control (DTC) strategy based on DSP is proposed.The fuzzy controller is designed by using the software of WinFACT and transplanted to the DSP after converting into C source code.Software and hardware design of fuzzy direct torque control system for BDFM is achieved.Experimental results show that on the basis of keeping advantages of traditional DTC,the proposed control method reduces torque ripple effectively,which improves the performance of traditional DTC.

Brushless doubly-fed machines(BDFM) Fuzzy control Torque ripple DSP Direct torque control(DTC) WinFACT Intelligent power module Inverter

中央高校基本科研業務費專項基金資助項目(編號：13MS83)。

李冰(1977—)，男，現為華北電力大學熱能工程專業在讀博士研究生，講師；主要從事新能源發電系統控制策略方向的研究。

TH183；TP368

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612003

修改稿收到日期：2016-05-05。