基于遗传算法的双馈电机速度控制系统研究

樊明龙，徐 秋

(扬州工业职业技术学院，江苏225127)

0 引言

近年来，双馈感应电机(以下简称DFIM)在风力发电机组、电动汽车和船舶驱动等需要进行变速控制的领域得到了广泛的应用。常用的DFIM控制技术是磁场定向矢量控制技术(FOC)和直接转矩控制(以下简称DTC)技术。比较这2种控制技术，DTC是在静止的坐标系中直接对转矩进行控制，无需进行复杂的坐标系旋转变换，因而DTC具有结构简单，易于实现的优点，是目前DFIM控制的主流应用技术［1］。然而DTC也存在明显的问题，当电机在低速段运行时，输出转矩会出现较大的脉动［2－3］，影响低速段的控制性能。

近年来，一些新型的DTC方案被提出，这些方案的目标是改善低速段的转矩脉动，从而提高转矩和转速的控制精度，获取更宽的调速范围。文献［4］应用滑模变结构理论和反演控制方法设计了DFIM的非线性控制器，以实现对转速的有效跟踪。文献［5］应用模糊理论设计了PI控制器参数，以改善电机的动态特性。文献［6］介绍了基于自扰抗控制的无速度传感器控制方法，提高系统的抗干扰能力。本文提出并研究了应用于DFIM的新型组合GA－PI－DTC控制方法，用遗传算法(以下简称GA)调制PI控制器的参数，以适应系统在不同工作状态下的调节要求，减少转矩脉动，实现DTC系统的最佳控制。

1 传统DFIM速度控制系统的工作原理

图1 采用DTC的DFIM速度控制系统组成示意图

传统DFIM速度控制系统如图1所示，是一个转速、转矩双闭环控制系统，速度调节器使用PI控制器。DTC中预存了一组定子电压空间矢量，根据定子磁链ψ和电磁转矩T的大小选中一个合适的电压矢量输出，电压矢量作用于变频器，变频器输出相应的三相电压，实现对电机定子电压的调节，控制目标是实现对ψ和T的实时跟踪，并确保ψ的运动轨迹为圆形，使系统具有较好的动态性能。DTC的工作原理是测量DFIM定子电流(或电压)，使用d，q坐标系中的电机模型公式［7］进行估算，得到定子磁链ψ和电磁转矩T的大小，同时确定磁链所在的扇区，并将估算值与磁链给定值ψ*和转矩给定值T*相比较，根据转矩误差、磁链误差和磁链扇区选择定子电压矢量。

这种系统简单，易于实现，但是一个周期内只作用一个基本电压空间矢量，同时磁链误差的方向是不可控的，所以不能在每个周期中都准确补偿转矩和磁链的误差，从而产生磁链和转矩脉动，这种影响在电机低速运行时尤其明显［8］。

2 改进后的DFIM转速控制系统

2．1 GA－PI－DTC 控制系统组成

为了改善传统DTC系统的性能，引入GA参与控制，图2为 GA－PI－DTC控制系统组成示意图。GA的作用是根据系统所处运行状态在线优化PI调节器的参数Kp，Ki，提高运行参数变化时系统的鲁棒性，使PI调节器输出的转矩给定值T*处于最优，从而补偿DTC控制器的缺陷，减少转矩的脉动和磁链的纹波，获取良好的调速性能。另外，在改进后的系统中不再使用速度传感器来测量电机的转速，而是根据测得的定子电压和电流大小估算电机的转速［9］，实现DFIM无速度传感器控制。

图2 GA－PI－DTC控制系统组成示意图

2．2 基于GA的PID控制

GA是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，GA纳入了达尔文关于自然选择理论的观点和孟德尔遗传学方面的工作，使用计算机模拟生物系统的自然演化［10］。

从工程角度来看，GA是一种优化技术，可以对多个搜索空间进行评估，并可以发现多个解决问题的方法。GA的实现是通过对生物遗传和进化过程中繁殖、交配和突变机理的模仿，搜索出问题最优解。交配和繁殖驱动进化，突变促使对整个搜索空间进行探索，避免结果过早收敛。

图3是使用GA优化PI参数的流程图。这个算法能重复很多代的进化，并允许在迭代过程中创建新的个体，它有可能比他们的父母更好，在达到问题的最优个体解时停止迭代［11］。

在使用GA调制DTC的PI调节器参数时，初始参数设置如表1所示。为获取PI调节器的最佳参数组合，在离线状态下针对系统可能的不同运行状态对GA反复进行了模拟评估，得到的几组最优PI参数组合如表2所示，系统在线运行时可以使用这些参数。

图3 遗传算法流程图

表1 GA的参数设置

表2 遗传优化PI参数组合

3 仿真实验

为了验证改进后系统的控制效果，使用一台0.8 kW的DFIM测试了2种控制策略(传统DTC和DTC－GA)的仿真结果。所使用的电机工作参数:额定电压UN=380 V，额定频率f=50 Hz，额定转速n=1420 r/min，额定功率 PN=0．8 kW，定子电阻 Rs=11．98 Ω; 转子电阻 Rr=0．904 Ω，定子自感 Ls=0.414 H，转子自感 Lr=0．055 6 H，互感 M=0．126 H，极数 4，转动惯量 J=0．01kg·m2，摩擦系数0.001。

图4是在连接标称负载情况下转速ω从0上升到给定值的变化图。从图4中可以看出，与传统DTC相比，DTC－GA控制系统的响应时间缩短1．6倍，超调量减小10倍。所以，用GA改进后的控制系统能更快地到达基准值，转速上升动态过程中基本上不存在因超调而引起的冲击，体现出DTC－GA系统对转矩和磁链控制的动态性能优异。

图4 转速变化

图5 是当负载扰动时电磁转矩T动态变化跟踪图。比较传统DTC和DTC－GA系统的响应曲线，结论是在响应时间和超调2个方面的性能都得到了显著改善。

图5 转矩变化图

图6 和图7分别为传统DTC和改进后的DTCGA的定子磁通ψ波形及其圆形轨迹。由图6可知，两者测得的信号之间比率大于50%(传统DTC为 0．048 Wb，而 DTC－GA 为 0．029 Wb)，改进后的方案明显降低了定子磁链波动。

图6 定子磁链波形

图7 定子磁链圆形轨迹

表3总结了DTC－GA与传统DTC在转速、电磁转矩、磁链等参数方面的比较结果。总体来看，这项工作的主要贡献是:减少纹波和过冲;提高响应时间;提高跟踪电磁转矩的能力，改善调速性能。

表3 DTC－GA主要性能指标改进

4 结语

仿真结果表明，GA－PI－DTC新控制组合有更快的收敛速度，能有效地降低纹波，在动态响应以及稳定性能方面有许多改进。新的方案更有效率，允许在应用过程中对参数不断调试和改进，在DFIM控制领域有较好的应用前景。