0 引言

　　數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動系統(tǒng)作為機(jī)床的最核心的關(guān)鍵部件之一，其輸出性能對數(shù)控機(jī)床的整體水平是至關(guān)重要的。因此就需要開發(fā)出技術(shù)性能高、價(jià)格低廉的交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)作為繼矢量控制之后發(fā)展起來的高性能交流電機(jī)控制技術(shù)，它直接將磁通和電磁轉(zhuǎn)矩作為控制變量，因此無需進(jìn)行磁場定向和矢量變換，這種對電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制，無疑更為簡捷和快速，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力，且無超調(diào)，系統(tǒng)的動靜態(tài)品質(zhì)都很好。本文提出了一種基于直接轉(zhuǎn)矩控制的數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動系統(tǒng)，并將模糊控制與空間矢量調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，目的是為了減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，改善和提高異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)控制性能。

1 模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

　　在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中，一個(gè)采樣周期中只作用一個(gè)電壓矢量，該電壓矢量根據(jù)定子磁鏈誤差和轉(zhuǎn)矩誤差從選擇表選出，在每個(gè)控制周期里，通過合理選擇電壓矢量，使定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩向各自的給定值變化，從而把轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈誤差限制在滯環(huán)內(nèi)，這種控制模式算法簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快。但是在數(shù)字系統(tǒng)的一個(gè)采樣周期內(nèi)，只有有限且不連續(xù)的空間電壓矢量的選擇，并且選擇電壓矢量時(shí)未考慮轉(zhuǎn)速的因素，這樣會使轉(zhuǎn)矩急劇地增加或減少，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)定的滯環(huán)寬度，使電機(jī)產(chǎn)生不希望的噪聲和轉(zhuǎn)矩振動。另一方面，逆變器的開關(guān)頻率是不固定的，滯環(huán)比較器的幅值大小影響著開關(guān)頻率，在數(shù)字化的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，由于數(shù)字計(jì)算的系統(tǒng)滯后、傳感器的靈敏度及AdD轉(zhuǎn)換時(shí)間等影響，也使在當(dāng)前采樣周期和下一個(gè)采樣周期之間產(chǎn)生的滯后可能使誤差超過滯環(huán)寬度，造成磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動增大。因此，要實(shí)現(xiàn)對直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的改進(jìn)，應(yīng)該以減少轉(zhuǎn)矩脈動和使開關(guān)頻率固定化為目的。

　　作為一種智能控制方法，模糊邏輯控制技術(shù)為進(jìn)一步改善直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能提供了有力的支持。將模糊邏輯技術(shù)與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合，能顯著地提高控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，但是在減小轉(zhuǎn)矩脈動方面，提高的幅度不大。主要原因在于可選擇的空間電壓矢量仍然只有8個(gè)，每個(gè)采樣周期只作用1個(gè)電壓矢量，開關(guān)頻率也未提高。

　　因此要顯著地減小轉(zhuǎn)矩脈動，改進(jìn)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制算法的性能，除了利用模糊邏輯控制技術(shù)以外，再結(jié)合新的控制策略，就可以進(jìn)一步提高直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的性能?？臻g矢量調(diào)制(SVM)技術(shù)可以有效地減小轉(zhuǎn)矩脈動，并且在基于SVM的直接轉(zhuǎn)矩控制中逆變器開關(guān)頻率恒定，而且在一個(gè)采樣周期中含有零電壓矢量，從而能夠有效地抑制轉(zhuǎn)矩、磁鏈和電流的脈動。

2 模糊SVM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

　　模糊SVM直接轉(zhuǎn)矩控制法將模糊控制技術(shù)、空間矢量調(diào)制技術(shù)與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相結(jié)合。該算法運(yùn)用模糊控制器，根據(jù)感應(yīng)電動機(jī)定子磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差以及定子磁鏈的所在位置，快速、簡單和較準(zhǔn)確地找到所期望的空間電壓矢量u3，然后結(jié)合SVM技術(shù)，用8個(gè)基本空間電壓矢量來合成，該算法由于采取了SVM技術(shù)，因此該算法能保持頻率的恒定。

　　2.1 參考電壓矢量的獲得

　　能夠準(zhǔn)確補(bǔ)償定子磁鏈誤差與轉(zhuǎn)矩誤差的電壓矢量稱為參考電壓矢量。

　　2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

　　模糊控制器使用模糊的方法把不同等級的轉(zhuǎn)矩、磁鏈偏差分成不同的模糊子集，用模糊推理及模糊決策來選擇最優(yōu)電壓矢量。

　　模糊子集為模糊控制器的2個(gè)模糊輸入變量即轉(zhuǎn)矩偏差ETe和磁鏈偏差Eψs。的絕對值，和1個(gè)輸出控制量即期望的參考電壓矢量的偏轉(zhuǎn)角η。

　　轉(zhuǎn)矩偏差ETe是給定轉(zhuǎn)矩Te(速度PI調(diào)節(jié)器輸出值)與實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩觀測值瓦之差，其隸屬函數(shù)如圖3所示。磁鏈偏差Eψs為定子磁鏈給定Es與定子磁鏈實(shí)際觀測值饑之差。磁鏈偏轉(zhuǎn)角η由定子磁鏈偏差△Eψs和轉(zhuǎn)矩偏差△η正得到，其隸屬度函數(shù)為三角形隸屬函數(shù)。

　　模糊推理是采用模糊邏輯由給定的輸入到輸出的映射過程。本文采用Mamdani型模糊推理的max—min合成法，這是一種以模糊關(guān)系合成法則為基礎(chǔ)的推理方法。

3 基于模糊SVM控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真

　　為了驗(yàn)證所提出的模糊直接轉(zhuǎn)矩控制好方案的有效性和可行性，在Matlab／Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析。仿真主要參數(shù)為：額定電壓UN=220V，額定頻率fN=50HZ，額定轉(zhuǎn)速nN=1440r／min，定子電阻R=0.435Ω，轉(zhuǎn)子電阻nN=0.816f2，定子電感Ls=0.004H，轉(zhuǎn)子自感Lr=0.002H，互感Lm=0.124H，極對p=2，轉(zhuǎn)動慣量J=0.089kg·m2。采樣周期501xs，給定參考磁鏈值為0.9Wb。為了對比控制效果，先后采用了傳統(tǒng)的基于圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制方法和改進(jìn)后的模糊直接轉(zhuǎn)矩控制方法，并給出了不同控制方法時(shí)的磁鏈、軌跡和電流響應(yīng)曲線，從以上仿真結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)基于圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制方法中，磁鏈、軌跡以及電流的脈動都比較大，而改進(jìn)后的直接轉(zhuǎn)矩控制中，磁鏈、軌跡以及電流的脈動都明顯減小，而且響應(yīng)也比傳統(tǒng)的要快。說明改進(jìn)后的直接轉(zhuǎn)矩控制方案能夠有效地減小轉(zhuǎn)矩、磁鏈及電流脈動，并且具有更好的動態(tài)響應(yīng)能力。經(jīng)過以上對仿真結(jié)果的分析，驗(yàn)證了模糊SVM方法在異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的可行性。

4 結(jié)束語

　　本文研究和分析了一種結(jié)合模糊控制技術(shù)的電壓空間矢量調(diào)制(SVM)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，詳細(xì)分析了其原理與實(shí)現(xiàn)，并在MATLAB／SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明該控制方案既保持了直接轉(zhuǎn)矩控制的快速動態(tài)響應(yīng)特性，又有效減小了轉(zhuǎn)矩與電流的波動。