直接轉(zhuǎn)矩變結(jié)構(gòu)控制的無速度傳感器交流感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)

肖海峰，賀昱耀，李 凱

(1．西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072;2．西安航空學(xué)院，陜西西安710000)

0引 言

高精度、無速度傳感器交流感應(yīng)電機(jī)控制技術(shù)是現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向，各國學(xué)者對(duì)此也做了大量的研究工作并取得很大的成就［1-6］。但其依然存在許多問題，如需要設(shè)計(jì)更高控制精度的控制器;控制策略的魯棒性難以滿足模型非線性和外界擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求;狀態(tài)觀測(cè)誤差受電機(jī)參數(shù)變化影響較大等。目前，應(yīng)用廣泛的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)存在轉(zhuǎn)矩、磁鏈及電流脈動(dòng)大的缺點(diǎn)。因此，如何提高感應(yīng)電機(jī)寬調(diào)速范圍下的精確、魯棒控制仍需要做大量的研究工作。

滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種針對(duì)非線性系統(tǒng)的高頻、高效開關(guān)控制策略，其控制過程不依賴于精確的系統(tǒng)參數(shù)，且具有良好的魯棒性特點(diǎn)，已被應(yīng)用到調(diào)速領(lǐng)域中［1-4］，但應(yīng)用該策略的控制器仍然存在抖振問題。類似于滑模變結(jié)構(gòu)控制，直接轉(zhuǎn)矩控制也具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同樣也存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)缺陷，且開關(guān)頻率不恒定。文獻(xiàn)［5］提出了直接轉(zhuǎn)矩與空間矢量調(diào)制相結(jié)合的策略使開關(guān)頻率保持恒定，有效降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但系統(tǒng)魯棒性能難以滿足高精度控制要求。狀態(tài)觀測(cè)器是無速度傳感器交流感應(yīng)電機(jī)控制策略的重要組成部分，其魯棒性和觀測(cè)誤差直接影響電機(jī)的控制性能。文獻(xiàn)［7］針對(duì)感應(yīng)電機(jī)提出全階自適應(yīng)磁鏈、定子電阻觀測(cè)器，但其運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜，觀測(cè)誤差較大。文獻(xiàn)［8］提出了速度自適應(yīng)滑模觀測(cè)器，該觀測(cè)器不需要確切的電機(jī)參數(shù)，因此具有良好的魯棒性能，但觀測(cè)器模型中含有轉(zhuǎn)子速度分量，觀測(cè)誤差較大。

針對(duì)上述問題，本文提出直接轉(zhuǎn)矩控制與滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合的方式，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)目刂圃鲆?，可以?shí)現(xiàn)線性控制與滑模開關(guān)控制的平衡關(guān)系，以滿足調(diào)速系統(tǒng)的暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)控制過程，使系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力;同時(shí)，設(shè)計(jì)不含轉(zhuǎn)子速度分量的滑模觀測(cè)器，用于磁鏈及轉(zhuǎn)矩估計(jì)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的正確性。

1交流感應(yīng)電機(jī)變結(jié)構(gòu)-直接轉(zhuǎn)矩控制

1．1感應(yīng)電機(jī)模型及電壓矢量解耦

在感應(yīng)電機(jī)定子磁鏈參考坐標(biāo)系下，電壓平衡方程:

式中:us、is、ψs、Rs、ωψs分別為定子電壓、定子電流、定子磁鏈?zhǔn)噶?、定子電阻和定子磁鏈角速度?/p>

由電壓平衡方程及轉(zhuǎn)矩方程得:

可知轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)了完全解耦，即定子q軸電壓分量決定轉(zhuǎn)矩大小。

由此可得d軸電壓分量:

定子磁鏈?zhǔn)噶康拇笮『头较螂S著d軸電壓矢量的變化而變化。因此，通過選擇正確的電壓矢量序列可使定子磁鏈?zhǔn)噶垦卣_的預(yù)定軌跡運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的控制。

1．2滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制器

基于無速度反饋的滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制(VSC-DTC)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)主要由定子磁鏈定向和定子磁鏈控制組成，控制量包括電磁轉(zhuǎn)矩Te和定子磁鏈ψs，而速度環(huán)PI調(diào)節(jié)控制器的輸出作為參考轉(zhuǎn)矩，速度給定值決定參考磁鏈的大小。

圖1 滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制策略

結(jié)合空間矢量調(diào)制技術(shù)，在一個(gè)控制周期內(nèi)，調(diào)節(jié)器的輸出決定適當(dāng)?shù)碾妷菏噶恳约笆噶孔饔玫臅r(shí)間，并由此生成的開關(guān)表控制逆變器的輸出電壓。磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制器包括滑模控制和線性控制兩部分，該控制器不僅具有線性控制的平滑特性，而且利用了滑?？刂启敯粜詮?qiáng)的特點(diǎn)，減小控制器對(duì)模型參數(shù)的依賴以及外部擾動(dòng)對(duì)控制器的干擾。

因此，在定子磁鏈參考坐標(biāo)系下，參考電壓:

式中:KP_ψ、Kl_ψ、KP_T、Kl_T分別為磁鏈、轉(zhuǎn)矩 PI 調(diào)節(jié)器增益;Kvsc_ψ、Kvsc_T為滑?？刂圃鲆?。

在電機(jī)調(diào)速的過渡過程，設(shè)線性變結(jié)構(gòu)控制器滿足:

此時(shí)，控制器的輸出主要由線性控制(PI)部分決定。反之，在電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)過程，磁鏈、轉(zhuǎn)矩誤差較小，該控制器的輸出由滑模開關(guān)控制決定。通過設(shè)置適當(dāng)?shù)脑鲆?，可以?shí)現(xiàn)線性控制與滑模開關(guān)控制的平衡關(guān)系，以滿足調(diào)速系統(tǒng)的快速、精確控制。通常Kvsc_ψ、Kvsc_T的取值盡可能大，以提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力。

為了確保系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和魯棒性，令磁鏈ψs為常量，設(shè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的狀態(tài)估計(jì)，則由式(2)、式(5)、式(6)可得轉(zhuǎn)矩、磁鏈方程:

2定、轉(zhuǎn)子磁鏈滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)

在時(shí)變感應(yīng)電機(jī)模型中，通常采用自適應(yīng)或滑模全階觀測(cè)器［6-7］，這些觀測(cè)器可以在某一坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變量的估計(jì)，但至少存在一個(gè)與電機(jī)轉(zhuǎn)子速度相關(guān)的模型方程，即狀態(tài)變量的觀測(cè)精度依賴于轉(zhuǎn)子速度估計(jì)誤差。如采用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)器，轉(zhuǎn)子速度估計(jì)將會(huì)滯后于狀態(tài)觀測(cè)一個(gè)控制周期，而速度估計(jì)值易受到誤差累積、噪聲和延遲等因素的影響，當(dāng)帶有較大誤差的速度估計(jì)值反饋到磁鏈觀測(cè)器，將使磁鏈、速度估計(jì)值進(jìn)一步惡化，系統(tǒng)性能因此變得更差。

根據(jù)上述分析，在某一坐標(biāo)系下分別取定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈作為狀態(tài)變量(ψds、ψqs、ψdr、ψqr)，定子電流作為輸出(ids、iqs)，該坐標(biāo)系的角速度為ωe，其電機(jī)模型的狀態(tài)方程如下:

式中:k1、k2、k3、k4分別為觀測(cè)器增益。

定子電流估計(jì)方程:

由此可知，同時(shí)在兩個(gè)不同的坐標(biāo)系下設(shè)計(jì)的磁鏈觀測(cè)器徹底消除了與電機(jī)轉(zhuǎn)子速度的聯(lián)系，因此觀測(cè)器的精度不受轉(zhuǎn)子速度估計(jì)誤差的影響。

為了消除定子阻值變化對(duì)觀測(cè)器的影響，采用式(16)對(duì)定子電阻進(jìn)行在線辨識(shí)以減小磁鏈觀測(cè)誤差。

式中，增益γ取值偏大將影響電阻辨識(shí)響應(yīng)速度，但可有效抑制觀測(cè)器振蕩，由于阻值變化較慢，因此取增益γ≈0．8較為適宜。

3仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3．1系統(tǒng)仿真分析

為了驗(yàn)證本文控制方法及觀測(cè)器的有效性，現(xiàn)對(duì)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。所采用的電機(jī)參數(shù):額定功率3．7 kW，額定轉(zhuǎn)速1 750 r/min，定子電阻 1．115 Ω，轉(zhuǎn)子電阻 1．008 Ω，定、轉(zhuǎn)子電感0．005 974 mH，極對(duì)數(shù)為2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0．02 kg·m2，摩擦系數(shù)0．005 752 N·m·s。設(shè)定轉(zhuǎn)子速度為500 r/min，電機(jī)空載起動(dòng)，在0．8 s時(shí)負(fù)載為5 N·m，1．2 s時(shí)負(fù)載為 -5 N·m。

電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)及轉(zhuǎn)矩觀測(cè)曲線如圖2所示。由此可知，定、轉(zhuǎn)子磁鏈及轉(zhuǎn)矩滑模觀測(cè)器具有較高觀測(cè)精度，且對(duì)負(fù)載的突變具有良好的跟蹤性能。當(dāng)電機(jī)空載穩(wěn)定運(yùn)行速度為500 r/min，突加負(fù)載5 N·m，此時(shí)過渡瞬間轉(zhuǎn)矩的突變不超過給定轉(zhuǎn)矩的20%，且轉(zhuǎn)矩過渡響應(yīng)時(shí)間不超過0．03 s，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)如圖3所示。若負(fù)載從5 N·m突變至-5 N·m，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)瞬間的變化量也不差過給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的30%?？梢姡摽刂破骶哂休^強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。在相同負(fù)載條件下，變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制比傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制具有更快的速度響應(yīng)能力，如圖4所示，電機(jī)負(fù)載為5 N·m且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，突加-5 N·m負(fù)載，此時(shí)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制下的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)值超過10 r/min，而采用本文控制策略，其轉(zhuǎn)速擾動(dòng)值小于4 r/min。

圖2 定、轉(zhuǎn)子磁鏈及轉(zhuǎn)矩觀測(cè)曲線

圖3 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖4 負(fù)載突變下轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

3．2 實(shí) 驗(yàn)

根據(jù)圖1的控制策略構(gòu)建系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)是采用基于TMS320F2812 DSP芯片的調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)該控制策略及磁鏈觀測(cè)器進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分析，感應(yīng)電機(jī)為2．0 kW，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速為500 r/min，負(fù)載力矩為2 N·m，通過示波器得到電機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)下的A、B相電流波形，如圖5所示，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

輕載條件下，電機(jī)轉(zhuǎn)速從600 r/min突變到1 000 r/min，電流波形如圖6所示，系統(tǒng)大約在60ms后趨于穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速。

由仿真及實(shí)驗(yàn)可知，定子磁鏈觀測(cè)器的設(shè)計(jì)及電機(jī)控制方法是合理可行的，且能夠滿足交流感應(yīng)電機(jī)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能。

圖5 穩(wěn)態(tài)時(shí)A、B相電流波形

圖6 動(dòng)態(tài)時(shí)A、B相電流波形

4結(jié) 語

本文針對(duì)無速度傳感器的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，提出了直接轉(zhuǎn)矩控制與變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合的新型策略，即采用線性滑?？刂谱鳛檗D(zhuǎn)矩、磁鏈調(diào)節(jié)方式;同時(shí)，設(shè)計(jì)的定、轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)觀測(cè)器不依賴于轉(zhuǎn)子速度分量，具有良好的魯棒特性。理論分析和仿真結(jié)果證明了該方法具有控制精度高、魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。

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