0 引言

　　數控機床主軸驅動系統作為機床的最核心的關鍵部件之一，其輸出性能對數控機床的整體水平是至關重要的。因此就需要開發出技術性能高、價格低廉的交流主軸驅動系統。直接轉矩控制技術作為繼矢量控制之后發展起來的高性能交流電機控制技術，它直接將磁通和電磁轉矩作為控制變量，因此無需進行磁場定向和矢量變換，這種對電磁轉矩的直接控制，無疑更為簡捷和快速，進一步提高了系統的轉矩響應能力，且無超調，系統的動靜態品質都很好。本文提出了一種基于直接轉矩控制的數控機床主軸驅動系統，并將模糊控制與空間矢量調制技術相結合，目的是為了減小轉矩和磁鏈脈動，改善和提高異步電動機直接轉矩控制系統控制性能。

1 模糊直接轉矩控制系統

　　在傳統直接轉矩控制中，一個采樣周期中只作用一個電壓矢量，該電壓矢量根據定子磁鏈誤差和轉矩誤差從選擇表選出，在每個控制周期里，通過合理選擇電壓矢量，使定子磁鏈和電磁轉矩向各自的給定值變化，從而把轉矩和定子磁鏈誤差限制在滯環內，這種控制模式算法簡單，轉矩響應速度快。但是在數字系統的一個采樣周期內，只有有限且不連續的空間電壓矢量的選擇，并且選擇電壓矢量時未考慮轉速的因素，這樣會使轉矩急劇地增加或減少，導致轉矩的脈動遠遠超過設定的滯環寬度，使電機產生不希望的噪聲和轉矩振動。另一方面，逆變器的開關頻率是不固定的，滯環比較器的幅值大小影響著開關頻率，在數字化的直接轉矩控制系統中，由于數字計算的系統滯后、傳感器的靈敏度及AdD轉換時間等影響，也使在當前采樣周期和下一個采樣周期之間產生的滯后可能使誤差超過滯環寬度，造成磁鏈和轉矩的脈動增大。因此，要實現對直接轉矩控制系統的改進，應該以減少轉矩脈動和使開關頻率固定化為目的。

　　作為一種智能控制方法，模糊邏輯控制技術為進一步改善直接轉矩控制系統的性能提供了有力的支持。將模糊邏輯技術與傳統的直接轉矩控制相結合，能顯著地提高控制系統的動態響應性能，但是在減小轉矩脈動方面，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，每個采樣周期只作用1個電壓矢量，開關頻率也未提高。

　　因此要顯著地減小轉矩脈動，改進傳統直接轉矩控制算法的性能，除了利用模糊邏輯控制技術以外，再結合新的控制策略，就可以進一步提高直接轉矩控制系統的性能。空間矢量調制(SVM)技術可以有效地減小轉矩脈動，并且在基于SVM的直接轉矩控制中逆變器開關頻率恒定，而且在一個采樣周期中含有零電壓矢量，從而能夠有效地抑制轉矩、磁鏈和電流的脈動。

2 模糊SVM直接轉矩控制系統

　　模糊SVM直接轉矩控制法將模糊控制技術、空間矢量調制技術與傳統的直接轉矩控制技術相結合。該算法運用模糊控制器，根據感應電動機定子磁鏈偏差和轉矩偏差以及定子磁鏈的所在位置，快速、簡單和較準確地找到所期望的空間電壓矢量u3，然后結合SVM技術，用8個基本空間電壓矢量來合成，該算法由于采取了SVM技術，因此該算法能保持頻率的恒定。

　　2.1 參考電壓矢量的獲得

　　能夠準確補償定子磁鏈誤差與轉矩誤差的電壓矢量稱為參考電壓矢量。

　　2.2 模糊控制器設計

　　模糊控制器使用模糊的方法把不同等級的轉矩、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電壓矢量。

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

　　轉矩偏差ETe是給定轉矩Te(速度PI調節器輸出值)與實際電磁轉矩觀測值瓦之差，其隸屬函數如圖3所示。磁鏈偏差Eψs為定子磁鏈給定Es與定子磁鏈實際觀測值饑之差。磁鏈偏轉角η由定子磁鏈偏差△Eψs和轉矩偏差△η正得到，其隸屬度函數為三角形隸屬函數。

　　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，這是一種以模糊關系合成法則為基礎的推理方法。

3 基于模糊SVM控制的直接轉矩控制系統的仿真

　　為了驗證所提出的模糊直接轉矩控制好方案的有效性和可行性，在Matlab／Simulink環境下進行了仿真分析。仿真主要參數為：額定電壓UN=220V，額定頻率fN=50HZ，額定轉速nN=1440r／min，定子電阻R=0.435Ω，轉子電阻nN=0.816f2，定子電感Ls=0.004H，轉子自感Lr=0.002H，互感Lm=0.124H，極對p=2，轉動慣量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，先后采用了傳統的基于圓形磁鏈的直接轉矩控制方法和改進后的模糊直接轉矩控制方法，并給出了不同控制方法時的磁鏈、軌跡和電流響應曲線，從以上仿真結果可以看出，傳統基于圓形磁鏈的直接轉矩控制方法中，磁鏈、軌跡以及電流的脈動都比較大，而改進后的直接轉矩控制中，磁鏈、軌跡以及電流的脈動都明顯減小，而且響應也比傳統的要快。說明改進后的直接轉矩控制方案能夠有效地減小轉矩、磁鏈及電流脈動，并且具有更好的動態響應能力。經過以上對仿真結果的分析，驗證了模糊SVM方法在異步電動機直接轉矩控制系統中的可行性。

4 結束語

　　本文研究和分析了一種結合模糊控制技術的電壓空間矢量調制(SVM)的直接轉矩控制策略，詳細分析了其原理與實現，并在MATLAB／SIMULINK環境下進行了仿真分析。仿真結果表明該控制方案既保持了直接轉矩控制的快速動態響應特性，又有效減小了轉矩與電流的波動。