基于滑模變結(jié)構(gòu)及模糊控制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)的研究*

葉漢民，朱 偉

(桂林理工大學(xué) a.信息科學(xué)與工程學(xué)院;b.機械與控制工程學(xué)院，桂林 541004)

基于滑模變結(jié)構(gòu)及模糊控制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)的研究*

葉漢民a，朱 偉b

(桂林理工大學(xué) a.信息科學(xué)與工程學(xué)院;b.機械與控制工程學(xué)院，桂林 541004)

針對異步電機傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動大，因電機參數(shù)變化和負載波動等因素使調(diào)速性能變差的問題，提出了用滑模變結(jié)構(gòu)速度調(diào)節(jié)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，并利用模糊控制方法改進逆變器矢量電壓選擇表，以達到更好調(diào)速的目的。在MATLAB/Simulink中建立了系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果說明該系統(tǒng)能夠提高轉(zhuǎn)速的響應(yīng)速度，減小轉(zhuǎn)矩脈動，同時還具有較好的動靜態(tài)穩(wěn)定性和魯棒性。

滑模變結(jié)構(gòu);模糊控制;穩(wěn)定性;魯棒性

TP273

A

0 引言

異步電機是一個多變量、非線性、時變、強耦合的被控對象，其模型非常復(fù)雜。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速技術(shù)是把異步電機與逆變器看作一個整體，采用電壓空間矢量分析方法在定子坐標系進行磁通、轉(zhuǎn)矩計算，通過磁通跟蹤得出PWM逆變器的開關(guān)狀態(tài)切換的依據(jù)從而直接控制轉(zhuǎn)矩。盡管直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、對轉(zhuǎn)子參數(shù)變化不敏感以及對參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點。然而，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制存在著低速性能差、電流和轉(zhuǎn)矩脈動大、開關(guān)頻率不固定的問題［1］。

滑模變結(jié)構(gòu)控制對系統(tǒng)參數(shù)的變化和外界干擾的影響不敏感，能使系統(tǒng)的狀態(tài)按預(yù)定的路徑變化，使控制系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、高精度、魯棒性和快速響應(yīng)等優(yōu)點［8］?；诖?，提出根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計和實現(xiàn)的速度調(diào)節(jié)器來代替PI調(diào)節(jié)器，保證了調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性和快速性［10］。同時用模糊邏輯控制器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)DTC中的轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)控制器，優(yōu)化開關(guān)表，以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的實時控制，從而進一步改善感應(yīng)電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，減小轉(zhuǎn)矩脈動［6］。

1 直接轉(zhuǎn)矩的基本原理

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，通過速度辨識器獲得轉(zhuǎn)速ωr，然后與給定轉(zhuǎn)速ωr*比較，通過速度調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值Te*。將檢測得到的電機定子電流Us和電壓Is輸入磁鏈轉(zhuǎn)矩估算器得到轉(zhuǎn)矩實際值Te和定子磁鏈的幅值Ψ及磁鏈角θ。磁鏈調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器分別利用磁鏈與轉(zhuǎn)矩的偏差得到磁鏈信號Ψq和轉(zhuǎn)矩信號Tq。電壓矢量選擇單元綜合Ψq、Tq和θ，通過查表的方式得到逆變器開關(guān)信號Sabc，控制逆變器提供相應(yīng)的電壓驅(qū)動異步電機運行，如圖1［2-3］所示。

圖1 DTC系統(tǒng)框圖

2 模糊邏輯控制器的設(shè)計

傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用滯環(huán)比較控制器，依據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差、定子磁鏈幅值誤差來選擇逆變器的開關(guān)狀態(tài)，無法區(qū)分定子磁鏈誤差、轉(zhuǎn)矩誤差的等級，對于一些不確定的因素引起的誤差微小變化，不能及時控制。而模糊控制，善于處理存在不精確性和不確定信息的控制問題。加之，在直接轉(zhuǎn)矩控制中，磁鏈偏差、轉(zhuǎn)矩偏差和磁鏈角均用一定范圍的值來表示，而這個范圍本身就是一個模糊的語言變量。因此，采用模糊控制的方法來求取逆變器的開關(guān)狀態(tài)，改善了感應(yīng)電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，減小轉(zhuǎn)矩脈動，而且更符合控制規(guī)律［5］。

2.1 模糊子集的選取［5］

基于上面的分析可知，直接轉(zhuǎn)矩的模糊控制是在直接轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上用一個模糊邏輯控制器代替了轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈滯環(huán)控制器。該模糊邏輯控制器有3個模糊輸入變量和1個輸出控制量。如圖2所示。

圖2 模糊邏輯控制器

即 θ的論域為{θ1，θ2，θ3…θ12}，其隸屬度函數(shù)如圖3c所示。

圖3 模糊控制器的三個輸入隸屬度函數(shù)

該模糊控制器的輸出控制量為逆變器的開關(guān)狀態(tài)。它其實是電壓型PWM逆變器的3個開關(guān)Sa、Sb、Sc的組合，共有8種開關(guān)狀態(tài)。即它是一個離散清晰的數(shù)字量輸出，可用獨點模糊集表示，其論域n為{0，1，2，3，4，5，6}。當(dāng) n=0 時，根據(jù)逆變器開關(guān)頻率最小的原則來選擇零矢量。

2.2 模糊控制規(guī)則的建立［6］

該模糊控制器的控制規(guī)則可由ET，Eψ，θ和n描述，共180條規(guī)則，如表1所示。

表1 模糊規(guī)則表

其中第i條規(guī)則表示為:Ri:if Eψis Ai，ETis Biand θis Cithen n is Ni這里 Ai，Bi，Ci和 Ni表示各個模糊子集。

采用Mamdnai型模糊推理的max-min合成法。第i條規(guī)則的作用強度為:

通過Mamdnai的“取小”算子(min)模糊推理運算，可得第i條規(guī)則對應(yīng)的控制決策:

這里，μA、μB、μC和 μN分別是 Eψ、ET、θ和 n 的隸屬函數(shù)。

通過聚類分析，輸出量n的最終隸屬函數(shù)μN為:

這里所得到的輸出量仍是一個模糊集，需要進行解模糊化。采用最大隸屬度法完成解模糊化過程，則可以得到最終的逆變器的開關(guān)狀態(tài)。

3 滑模變結(jié)構(gòu)控制速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計

感應(yīng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器可以做到系統(tǒng)輸出無靜差，但是它的設(shè)計是以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的，對于非線性、強耦合、參數(shù)易變的交流傳動來說理論設(shè)計與實際的矛盾就比較突出?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制對系統(tǒng)參數(shù)的變化和外界干擾的影響不敏感，能使系統(tǒng)的狀態(tài)按預(yù)定的路徑變化，使控制系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、高精度、魯棒性和快速響應(yīng)等優(yōu)點。因此，采用滑模變結(jié)構(gòu)理論設(shè)計速度調(diào)節(jié)器如圖4所示。該系統(tǒng)具有響應(yīng)快、對參數(shù)及擾動不靈敏的優(yōu)點［9］。

圖4 滑模速度控制器的交流調(diào)速系統(tǒng)

(1)開關(guān)面函數(shù)的選?。?0］

當(dāng)忽略粘性摩擦?xí)r，電機的機械運動方程為:

(3)滑模控制的穩(wěn)定性

為了證明該滑模系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選取李雅普諾夫函數(shù)為:

5 仿真和實驗

基于滑模變結(jié)構(gòu)及模糊控制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)的控制方案如圖［4，7］5 所示。在 MATLAB/Simulink中建立了其仿真模型，取測試用異步電機電機參數(shù)為:Pn=22kW，Un=380V，In=30A，fn=50Hz，Rs=0.435Ω，Rr=0.816Ω，Ls=2mH，Lr=2mH，Lm=69.31mH，J=0.089Kg·m2電機在轉(zhuǎn)速給定為1200r/min的情況下帶負載啟動，并在t=0.15s時負載由1Nm階躍到15Nm，t=0.2s時負載再從15Nm降回1Nm。系統(tǒng)仿真采樣周期取為30μs，給定磁鏈為1Wb。仿真結(jié)果如下圖所示。

圖5 基于滑模變結(jié)構(gòu)及模糊控制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真框圖

由上述仿真結(jié)果可以看出:在?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)和模糊控制的異步電機直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩的建立比傳統(tǒng)控制方案要快，而且轉(zhuǎn)矩波動有所改善，如圖7。改進后的電機控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)加快，這從速度響應(yīng)曲線上可以明顯看出來，速度響應(yīng)時間不到0.1s，如圖8。而且定子磁鏈在建立的過程中比傳統(tǒng)DTC方法波動小，如圖6。從而定子電流波動比傳統(tǒng)控制算法有所改善，這從電流響應(yīng)曲線上可以清晰地看出來，如圖9。另外，在t=0.15s負載由1Nm階躍到15Nm，t=0.2s時負載再從15Nm降回1Nm時，從圖8可以明顯看出傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制對外界突加的擾動反應(yīng)不夠迅速，這就導(dǎo)致了電機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動較大，如圖8a。而改進后的系統(tǒng)在同樣條件下，能對突加的外界擾動夠快速響應(yīng)，同時電機轉(zhuǎn)速變化較小，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，如圖7b和8b。仿真結(jié)果驗證了本論文提出的滑模變結(jié)構(gòu)和模糊控制算法的有效性。

6 結(jié)束語

結(jié)合滑模和模糊控制方法設(shè)計了滑模速度調(diào)節(jié)器和模糊邏輯控制器實現(xiàn)了異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制。通過滑模速度調(diào)節(jié)器，使電動機運行狀態(tài)電機參數(shù)變化和負載波動等因素使調(diào)速性能變差的問題得到改善，提高了系統(tǒng)的魯棒性。同時利用模糊控制的方法改善了矢量電壓選擇表使系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性得到了提高，同時減小了轉(zhuǎn)矩脈動。仿真和實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)有較好的調(diào)速性能。

［1］王成元，夏加寬，孫宜標.現(xiàn)代電機控制技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［2］周揚忠，胡育文.交流電機的直接轉(zhuǎn)矩控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［3］曹承志，曲紅梅.MATLAB軟件中SIMULINK環(huán)境下直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真研究［J］.電機與控制學(xué)報，2001(2):111－114.

［4］張國良，曾靜，柯熙政.模糊控制及其 MATLAB應(yīng)用［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2002.

［5］R.Toufouti，S.Meziane，H.Benalla.Direct Torque Control for Induction Motor Using Fuzzy Logic［J］.ICGST.ACSE Journal，2006，2(6):19 －26.

［6］秦偉.基于DSP的模糊控直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究［D］.遼寧:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2006.

［7］劉金琨.滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

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The Research Based on Sliding Mode Variable Structure and Fuzzy control for Asynchronous Motor Speed Control System

YE Han-mina，ZHUWeib
(a.College of Information Science and Engineering;b.College of Mechanical and Control Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

1001－2265(2011)06－0069－04

2010－12－20

廣西研究生教育創(chuàng)新計劃資助(2010105960811M31)

葉漢民(1965—)，男，湖北黃岡人，桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授，研究方向為自動控制系統(tǒng)，(E－mail)yehanmin@163.com。

On the fact of the torque ripple is large in the traditional direct torque control system of the Asynchronous Motor and the problem ofspeed performance ismade slow by the changingmotor parameters and the load fluctuations,the article put forward a new idea.In samewords,the idea is that the traditional PI controller is replaced by speed controller of Sliding Mode Variable Structure.What’smore,on purpose ofachieving better speed regulation,the Inverter voltage vector selection instrument is improved w ith the fuzzy control.On the other hand,the article accomplishes building the simulationmodel of the system through MATLAB/Simulink.The resultmake the system distinguished from others for some advantages.The system is able to increase the response speed and decrease the torque tipple.At the same time,the system is characterized by better static and dynamic stability and better robustness.Key words:sliding mode variable structure;fuzzy control;stability;robustness