基于高性价比的模糊逻辑控制四开关三相逆变器供电永磁同步电机驱动系统.docx

基于高性价比的模糊逻辑控制四开关三相逆变器供电永磁同步电机驱动系统M.纳西尔•乌丁，高级会员，IEEE ,陶菲克S.拉徳力"，高级会员，IEEE和M. Azizur拉赫曼，院上，IEEE摘要：木文研究内置式永磁同步电动机(IPMSM)的高性能的工业应用的一个模糊逻辑控制器 (PLC)基于成本效益的驱动系统的性能在本文中，模糊逻辑控制器用作速度控制器，同 时，采用四开关三和(4S3Ph)脉冲宽度调制(PWM)逆变器來代替常规的六开关三和(6S3Ph) 逆变器来驱动电机这不仅减少了逆变器的成本，开关损耗，而且降低了产生六个PWM的 逻辑信号控制算法和接口电路的复杂性此外，所提岀的控制方法降低了计算的实时实现 所提出的四开关三相逆变器供电永磁同步电机驱动与模糊逻辑控制器结介的闭环矢屋控制 方案是在使用TITMS320C31数字信号处理器(DSP)和原型1马力的电机上的实时实施 通过在不同的操作条件下的理论和实验结果，可以验证所提出的模糊逻辑控制四开关三相逆 变器供电永磁同步电机驱动的稳定性在性能和定子电流的谐波分析方而对所推荐的四开关 三相逆变器驱动器与传统7弋开关三相逆变器系统的比较发现在其性能，降低成木，以及其 它固有的有利特征等方面是完全可以接受的。

关键词：模糊逻辑利数字信号处理器，内部永磁电动机，逆变器，欠量控制I引言多年来，传统的六开关三相逆变器已被广泛应用于可变速度的交流(AC)马达驳动器近 來，四开关三相逆变器在不间断电源和变速驱动器方面的应用我们已做了很多努力山・⑸ 这是由于四开关三相变频器比传统的六开关三相逆变器有一些优点，比如减少了开关的数冃 降低了成木，减小了开关损耗，减少了接口电路中为开关提供的逻辑信号的数量，产生逻辑 信号的控制算法简单，减少了由于开关Z间较小的相互作用破坏开关的机会，以及减少了实 吋计算负担然而，大多数的四开关三和逆变器受限于界步电机和无刷直流(BLDC)电机 系统⑵■⑸Takijawa等人⑷提岀了四开关三相变频器的应用于无刷直流电机系统，其 中开采取了开环的脉冲宽度调制(PWM)控制方案此外，由于没有磁性凸极性，工作时 无刷肓流电机比内置式永磁同步电机的控制更容易报道称四开关三相变频驱动器并没有充 分考虑闭环矢量控制方案［2］-［4］Larsen等人［5］利用四开关三相逆变器闭环矢量控制的感 应电动机,并将比例积分(PI)算法用丁•速度和电流控制众所周知，PI算法的缺点是对机器 参数的依赖⑹。

此外，描述了四开关三相逆变器工作不充分的研究驱动器的动态性能,尽管它 是其中一个高性能驱动的主耍担忧因此，在此文中川模糊逻辑控制器(FLC)來取代PI控制 器尽管FLC比常规PI控制器很多优势,在电机的实时控制中FLC有很人的计算负担在 这种情况下,用四开关三相逆变器来减少一些实时计算负担将是一个不错的选择如今，内置式永磁同步电动机由于其高转矩・电流比、大的功率・重量比、高效率、高功 率因数和鲁棒性，使它日益流行用于变速驱动系统绕纽电流和转子速度间存在非线性耦合 和转子铁芯的磁饱利问题所导致电磁发达扭矩非线性的问题，便内置式永磁同步电动机 (IPMSM)驱动器的梢确速度控制，成为一个复杂的问题过去大多数关于变速IPMSM驱 动器的研究主耍集中于对高性能驱动器的控制算法的开发[6]・[11]然而，整个驱动系统的 成木，简单性和灵活性，这些最重要的因素外没有得到很多研究人员的关注尽管在这方面 进行了深入研究，可多数发达的控制系统未能吸引业界的关注在过去，研究者将多电平变 频器系统应用于高功率场合再次，如果这种功率级別不需耍该逆变器，系统涉及到更多的 损耗和复杂的开关算法，因此，木文的要点Z—是开发具冇成本效益的、简单高效、高性 能的内證式永磁同步电动机驱动器。

在机器人，轧机，机床等设备中使用的高性能电动机驱动器需要快速、准确的响应，速度能 在任何干扰下迅速的恢复，以及对参数变化冇较高的灵敏度交流电机的动态特性可以用矢 量控制理论进行显著改善，其中电机的变量被转换成-个正交集合d-q轴，这样使得速度和 转矩可以单独控制这使1PMSM机有了他励直流电机性能，同时保持交流电机的-•般优点 本文为高性能工业应丿IJ系统提出了一种基于四开关三相逆变器供电的高性价比IPMSM模糊 控制驱动系统所捉出的四开关三相逆变器供电内置式永磁同步电机驱动与模糊逻辑控制辭 结介的闭环矢虽控制方案是在使用TITMS320C31数字信号处理器(DSP)和原型1马力的 电机上的实时实施为了验证该方法的稳健性，所提出的驳动器的性能都在不同的工作条件 下，从理论和实验方血做了研究通过在不同的操作条件下的理论和实验结果可以验证所提 出的模糊逻辑控制四开关三相逆变器供电內置式永磁同步电机驱动的稳定性在定子电流的 总的谐波畸变率和速度响应方而对所推荐的四开关三相逆变器驱动器与传统六开关三相逆 变器系统的比较发现在其性能，降低成本，以及其它固有有利的特征等方而是合理的II模拟驱动系统整个驱动系统的建模包括了逆变器、IPM电机和控制器的建模，在以下各节对其进行讨论。

前端整流器 四开关逆变器图1.1PMSM从四开关逆变器馈电4整流器•逆变器操作所述的四开关三相电压源逆变器作为IPMSM电源的电路如图1所示:该电路山两部分组成 第一部分是一个从单相获得电能前端整流器固定频率的单相交流输入由前端整流器开关 Tri和Tr2整流在肓流母线分裂电容器组通过与Tri和Tr2相关的二极管充电开关Tri 和Tr2都在同步到AC电源塑造输入电流成为正弦波的PWM模式卞操作电感器L有助于 滤除高次谐波电流SPWM技术被用来消除几个低次谐波和控制的操作开关Tri和Tr2,以 确保在电源侧有统一的输入功率因数和控制前端整流器[12]0第二部分是四开关三相逆变 器两相X和b是通过两条线与逆变器相连，而笫三和连接的直流环节电容器C1和C2的中 心点四开关逆变器采用四个开关管和四个二极管来控制两个线电压Vcb和Vac, Ifu Vba 是根据一个分裂电容器组基尔霍夫电压定律产生的各电容器两端电压的最人峰值等于 Vdco在分析时，逆变器开关被视为理想开关输出电压由两个臂开关的门控信号和由直流电压 Vdc限定电动机的相电压方程可以写为开关和直流电压的切换逻辑的函数其公式为Vc =^(4Sa-2Sb-l) (1)Vb=^(-2Sa + 4Sb-l) (2)Vc=^(-2Sa-2Sb + 2) ⑶此式中Va, Vb, Vc 电机相电压;Vdc 电容两端电压；SA, SB 输出的开关变量; 将上述方程写成矩阵形式对于平衡电容电压，四个开关纽合产牛四个电压矢量[1]，如图2所示[2]-[5]0表I示出 了所述逆变器不同的操作模式和和应的输岀电压矢量。

0.1)图2四开关逆变器的开关矢量表I逆变器的操作模式Swishing function] Sziich on Oulput voltagg vector久SbV.vb讥00v214叫301t2t3-vdcVdcO1014Vdc讥01 11Tj*畑3V曲I-2Vdc/3B. IPMSM 模型一个内置式永磁同步电动机驱动器的数学模型，可以通过以下等式在同步旋转的转子的d-q 参考坐标系中所述［11］LdIT—-Vg — R；lq —卩3丫 L(l t d — Papli订Tf = T［』十 JniP^r 十 UmitJT3P(fiq 十(L& — Lq)idiq) •⑸(6)(7)⑻众所周知，以恒定频率源提供电能的同步电动机是不能自起动的在这项研究中IPMSM的 起动转矩是由转子的鼠笼式绕纽捉供的所述内直式永磁同步电动机驱动器的启动过程可以 被认为两种操作模式的叠加：1）非对称的界步电动机模式；2）磁激界步发电机模式因此, 如果想研究运行过程中是否达到同步，必须考虑到转子绕组的短路的影响然而，在模型方程（5）・（8）没有描述IPMSM驳动的异步行为因此，电机必须从闭环 速度控制系统启动，其中电动机从推荐的四开关三相逆变器馈电。

Ao)(b)图3.模糊速度控制器a）结构图b）规则而C.控制器模型1）模糊速度控制器（FLC）：模糊控制器的框图如图3 （a）所示，在此用作速度控制器在这个标准化的FLOP，当前的 速度误差△ 3 （n）和当前的速度误差的变化Ae （n）是输入量木例中q轴控制电流 心（刀）作为输出六规则川于所提出的FLC模糊控制器的各种比例因子13 姑ki）是通过反复试验进行调谐以获得最佳的驱动器的性能隶加函数、规则、以及FLC的详细发展nJ 以在⑺中找到归一化FLC的规则表血如图3 (b)所示规则表血提供了対应于所有规则和 不同值的输入的输出值FLC被标准化，因此它可用于不同的等级、不同类型的电机2)电流控制器：两个独立的正弦带滞环电流控制器用于强制相a和b的电流跟随他们的命令这些命 令产生于欠量控制和速度控制环控制器的输出有四个逻辑形式这些逻辑是用来打开和关 闭逆变器电源开关棊于本款和以前的控制方案，整个驱动系统如图4所示对于所提出的 控制方案，定子电流id的d轴分量设直为零，以便控制电机达到额定速度如果想控制电机图.4从一个四开关逆变器馈电的IPMSM的控制方案III仿真和实验结果A.实验设置为了验证所捉出的逆变器的配置及其控制策略的冇效性，利川Matlab/ Simulink的软件，根据实验装置包括一个DSP板DS1102117],它是一个基于32位浮点DSP TI TMS320C31。

该板还 配备了一个川作从属处理器的定点16位TMS320P14 DSP,在这项工作中，从属处理器作为 数字输入/输出子系统工作两相电流值hi和ib由霍尔效应电流传感器测得这些电流通过信 号调节电路馈送到DSP中另外，转子的位置山增量式编码器检测，并送到DSP板的编码器 接口控制算法是用C语言编写，通过TIC编译器编译后生成的H标代码然后，使用dSPACE 的ConrolDesk软件将所生成的目标代码通过主机计算机下载到DSP板［17］板了的输岀是四 个逻辑信号，这四个信号通过鞭动器/隔离电路馈送到提出四开关三相逆变器实验小的采 样吋问定为100U So详细的实验过程可以在⑻中找到实验IPM电机的设计数据在附录中 给出B.结果与讨论在不同的动态操作条件下对提出的FLC-基于四开关三相逆变器馈电内置式永磁同步电机的 性能在仿真和实验中进行了广泛的研究实验结果如下，图6显示了在仿真中所提出的四开关三相逆变器馈电内置式永磁同步电机驱动的启动响应 为了公平的比较，常规六开关三和逆变器为基础的1PMSM驱动在相同条件下的起始响应仿 真如图7所示它被认为在图6 (a)与图7 (a)中可以看到，这两种情况，该驱动器儿乎同 吋可以跟随指令速度。

FLC的有效性是山无超调、无冲，速度响应零稳态误差來说明的在 图6和图7还可以看出，其稳态相电流、谐波失真和所提出的四开关三相逆变器为基础的 IPMSM驷动器的转矩响应也比得上常规六开关三相逆变驱动器转矩脉动在提出的逆变器 上有点高，但仍处于可接受的范围ia在不同速度条件下的谐波频谱显示如图8,其显示了 在额定转速条件下常规六开关三相逆变器谐波畸变率的对接受水平提出的FLC-基于四开 关三相逆变器为基础的IPMSM驱动器的鲁棒性，仿真中也验证了指令速度的突然变化和负 载的变化，如图。