基于ADRC的異步電機(jī)DTC系統(tǒng)仿真研究

李少龍，楊曉潔，李文龍，胡靜漪，劉 堅，趙 琴

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于ADRC的異步電機(jī)DTC系統(tǒng)仿真研究

李少龍，楊曉潔，李文龍，胡靜漪，劉 堅，趙 琴

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

針對現(xiàn)有異步電機(jī)DTC調(diào)速系統(tǒng)抗干擾能力差及轉(zhuǎn)速、磁鏈脈動等缺陷，文中在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入了自抗擾技術(shù)，構(gòu)建了一種基于ADRC的異步電機(jī)DTC系統(tǒng)并對該系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。為達(dá)到高抗干擾能力及低轉(zhuǎn)速、磁鏈脈動的目標(biāo)設(shè)計了自抗擾控制器，通過搭建Matlab仿真模型獲得仿真結(jié)果，驗證了在DTC調(diào)速系統(tǒng)中引入自抗擾控制策略可有效減小脈動情況，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，同時使橋路工作頻率趨于穩(wěn)定。

異步電機(jī)；自抗擾技術(shù)；Matlab仿真模型

現(xiàn)有的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩Te和磁鏈Ψs采用band-band調(diào)制，轉(zhuǎn)矩能夠快速響應(yīng)的同時也會造成轉(zhuǎn)矩、磁鏈脈動大等不良后果[1-4]。這就急需對異步電機(jī)DTC控制系統(tǒng)進(jìn)行控制算法上的改進(jìn)，從而使該系統(tǒng)具有更好的動態(tài)響應(yīng)，達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動、開關(guān)頻率穩(wěn)定等目的[5-6]。結(jié)合工程中PID控制器的優(yōu)缺點，可引進(jìn)自抗擾控制技術(shù)，在PID控制的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。為此，可引進(jìn)自抗擾控制器(ADRC)技術(shù)，此方式不需要了解對象模型與獲得參數(shù)的精確信息，在分析ADRC理論的基礎(chǔ)上，可將異步電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變動看做該DTC系統(tǒng)所受到的外界擾動[7]，利用自抗擾控制原理對DTC系統(tǒng)所受擾動的抑制能力設(shè)計ADRC速度調(diào)節(jié)器，從而提高異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的自抗擾能力。

1 異步電機(jī)DTC系統(tǒng)

DTC控制技術(shù)是一種基于現(xiàn)代控制理論的調(diào)速控制算法[8-9]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由速度調(diào)節(jié)器ASR、band-band調(diào)節(jié)器、電壓矢量選擇表、逆變器以及磁鏈轉(zhuǎn)矩觀測器等組成。

圖1 異步電機(jī)DTC控制系統(tǒng)框圖

1.1 速度調(diào)節(jié)器

速度調(diào)節(jié)器(ASR)采用比例積分進(jìn)行調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)的控制表達(dá)式為

(1)

式中，Kp和Ti分別表示比例系數(shù)和積分系數(shù)。

1.2 磁鏈轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器與計算器

在傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)中，磁鏈轉(zhuǎn)矩采用滯環(huán)比較器來進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對磁鏈進(jìn)行兩點式控制。對于轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)也可以采用滯環(huán)比較器，達(dá)到同樣的控制效果。

1.3 磁鏈選擇器

在DTC控制中，磁鏈的工作區(qū)間主要被劃分為6個，磁鏈選擇器即Flux sector封裝結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)定子磁鏈的定位角度來決定磁鏈工作在哪個區(qū)間。

1.4 開關(guān)表控制模塊

在直接轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)中，開關(guān)表調(diào)節(jié)模塊主要是為了獲取逆變器的開關(guān)元器件的導(dǎo)通和關(guān)斷信號，其由Look up Table(2-D)模塊和多路選擇器構(gòu)成。

2 自抗擾控制算法原理

ADRC控制器主要由擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器(Extended State Observer，ESO)、跟蹤微分器(Tracking Differentiator，TD)和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律(Nonlinear State Error Feedback Law，NLSEF)3部分組成[12-13]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，在ADRC控制器中設(shè)計“過渡環(huán)節(jié)”，主要是為了解決PID控制中誤差不合理取值的問題，避免系統(tǒng)發(fā)生快速動態(tài)響應(yīng)時產(chǎn)生超調(diào)，可以增加誤差反饋增益以及經(jīng)過微分環(huán)節(jié)后的反饋增益的選取范圍，從而提高系統(tǒng)的抗擾性能。ESO通過狀態(tài)觀測把施加到被控輸出的外界擾動轉(zhuǎn)變成新的狀態(tài)變量，之后利用反饋來創(chuàng)建能夠用來觀測擴(kuò)展的狀態(tài)。所以，ADRC中的ESO可以用來跟蹤模型的未知部分與外部未知擾動的影響，其擴(kuò)展出來的狀態(tài)量可用來彌補(bǔ)這些擾動，被控對象的調(diào)節(jié)策略由NLSEF控制律給出[14-15]。

圖2 ADRC控制結(jié)構(gòu)圖

3 自抗擾控制器設(shè)計

異步電機(jī)DTC系統(tǒng)的運動方程為

(2)

(3)

(4)

3.1 跟蹤微分器(TD)的設(shè)計

已知最優(yōu)控制函數(shù)的離散狀態(tài)下的表示形式如下

u=fhan(x1,x2,r,h)

(5)

(6)

TD微分器設(shè)計中，輸入信號是異步電機(jī)預(yù)先給定的轉(zhuǎn)速n*，TD微分器輸出是調(diào)整后光滑的跟蹤信號v1，該TD跟蹤器的作用是為參考的異步電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速分配一個合適的過渡過程，減小或者避免出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，獲得光滑的跟蹤信號以及微分信號。其狀態(tài)方程為

(7)

TD微分器輸出為

v1=fhan(v1-n*,r,h)

(8)

3.2 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)的設(shè)計

(9)

(10)

3.3 NLSEF控制律的設(shè)計

由于TD的數(shù)學(xué)模型是一階的，假設(shè)TD微分器的狀態(tài)變量是v1，而ESO的數(shù)學(xué)模型是二階的，假設(shè)ESO觀測器的狀態(tài)變量為z1，則它所擴(kuò)張出來的狀態(tài)變量z2就能實時估計該異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)所受到的外界擾動。如果將TD和ESO的狀態(tài)變量進(jìn)行差值運算，就能夠獲取到該DTC控制系統(tǒng)中給定的輸入與輸出的誤差信號e1，可以用e1的非線性組合來取代PID控制的線性組合，如果令其非線性組合的輸出量為u0，則可以得到

(11)

根據(jù)自抗擾控制原理，通過ESO估計出該DTC系統(tǒng)所受到的外界擾動估計值z2進(jìn)行補(bǔ)償，可以得到

(12)

結(jié)合式(11)和式(12)，可獲得根據(jù)該DTC控制系統(tǒng)設(shè)計的非線性狀態(tài)誤差組合的表達(dá)式為

(13)

4 仿真及結(jié)果分析

在傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行改進(jìn)，采用ADRC控制代替PI調(diào)節(jié)器，搭建出基于ADRC的ASR的異步電機(jī)DTC系統(tǒng)如圖3所示[16]。

當(dāng)給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為20 N·m，在0.15 s時轉(zhuǎn)速由1 000 r/min變?yōu)?00 r/min，能夠獲得圖4所示的仿真結(jié)果圖，可看到定子磁鏈近似成圓形軌跡進(jìn)行磁鏈跟蹤，定子磁鏈脈動明顯減小，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速能夠快速達(dá)到轉(zhuǎn)速給定值，轉(zhuǎn)矩脈動相比PI控制有顯著減小，DTC控制系統(tǒng)具備較好的動態(tài)響應(yīng)性能，ADRC對n有較好調(diào)節(jié)作用。

圖4 給定轉(zhuǎn)矩為20 N·m轉(zhuǎn)速變化圖

電機(jī)給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，在t=0.15 s時所施加的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL由0變?yōu)?0 N·m，可得到如圖5所示的仿真結(jié)果，從圖中可知，當(dāng)電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，定子磁鏈近似成圓形軌跡跟蹤，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩沒有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，所以此時該DTC控制系統(tǒng)能保持基本的穩(wěn)定，從而進(jìn)一步突出ADRC優(yōu)良的控制性能。

圖5 給定轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min轉(zhuǎn)矩變化圖

當(dāng)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速為n=150 r/min，電動機(jī)處于空載啟動時，可得如圖6所示的波形圖，可看出當(dāng)異步電動機(jī)處于低速運行狀態(tài)時，電機(jī)能很快達(dá)到給定轉(zhuǎn)速值，且不會出現(xiàn)振蕩和超調(diào)現(xiàn)象，所以此時系統(tǒng)不僅能保持穩(wěn)定，而且在較低的速度運行時的轉(zhuǎn)矩波動很明顯會有所降低。

圖6 n*=150 r/min的空載運行波形圖

當(dāng)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，電動機(jī)處于空載啟動時，可獲得如圖7所示的波形圖，從圖中可以看出當(dāng)異步電動機(jī)處于高速運行狀態(tài)時，系統(tǒng)在很短的時間內(nèi)達(dá)到給定速度，響應(yīng)速度快，不會出現(xiàn)超調(diào)，說明電機(jī)以較高的速度運行時，能夠具有較好的動、靜態(tài)性能。

圖7 n*=1 000 r/min的空載運行波形圖

在傳統(tǒng)異步電機(jī)的DTC系統(tǒng)的仿真結(jié)果中，可以看到異步電機(jī)在較低的速度運行時，轉(zhuǎn)矩脈動會很大，并且該DTC控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速的速度大小也比較敏感，中高速運行時系統(tǒng)動態(tài)性能比較好，但是以較低速度運行時系統(tǒng)性能很差。下面給出在不同轉(zhuǎn)速下的異步電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速波形圖，分別選定1 000 r/min和200 r/min兩種速度進(jìn)行對比實驗，根據(jù)不同n*下的輸出轉(zhuǎn)速波形，分析PI和ADRC控制的區(qū)別。從仿真對比圖8中可以看出，PI控制選定的參數(shù)在異步電動機(jī)處于高速運行狀態(tài)時會有較好的動態(tài)響應(yīng)性能，但在低速時，動態(tài)性能已經(jīng)開始變差，需要重新調(diào)整PI參數(shù)，但ADRC選定一組參數(shù)后，無論電動機(jī)是較低的速度還是較高的速度運作時，都能具有較好的動態(tài)響應(yīng)性能。

圖8 PI控制與ADRC控制對比圖

5 結(jié)束語

本文闡述了異步電機(jī)DTC系統(tǒng)的基本組成模塊，通過在Matlab-Simulink中搭建整個異步電機(jī)DTC控制系統(tǒng)進(jìn)行初步的理論上的實驗仿真。雖然速度調(diào)節(jié)器采用PI控制器能達(dá)到很好的轉(zhuǎn)速控制效果，但通過對異步電機(jī)在空載和加載運行分析可以看到，DTC在控制過程中會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動，定子電流輸出也不穩(wěn)定，雖然轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器采用兩點式控制，可以有效控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈幅值大小，但會使得逆變器開關(guān)頻率的增加，使得異步電機(jī)在整個運作過程中出現(xiàn)開關(guān)頻率不穩(wěn)定等現(xiàn)象。本文通過分析傳統(tǒng)DTC控制系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計了一種可以彌補(bǔ)PI控制器不足的ADRC控制器，使得電機(jī)不論處于低速還是高速運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動都有明顯減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所改善，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的魯棒性。

[1] 林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng):運動控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[3] 郭有貴,潘東卿,鄧成,等.基于SVPWM異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2016,28(2):483-491.

[4] 張愛玲,王震宇,楊文杰.直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中減小轉(zhuǎn)矩脈動方案的比較[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2008,12(5):566-570.

[5] Lascu C,Jafarzadeh S,Fadali S,et al.Direct torque control with feedback linearization for induction motor drives[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2016,20(14):1-1.

[6] Salem F B,Derbel N.Investigation of SM DTC-SVM performances of IM control considering load disturbances effects[C]. MA,USA:International Multi-Conference on Systems, Signals & Devices,2016.

[7] 任一峰,劉剛,趙敏.自抗擾技術(shù)在異步電機(jī)DTC系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動,2009,39(6):15-18.

[8] 萬宇賓,胡嬋娟,趙金,等.基于ADRC的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)及其性能[J].武漢大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2009,42(1):114-118.

[9] 付家才,魏超全.CE-ADRC異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2014(2):117-120.

[10] Ren Y,Duan X.Research of active disturbance rejection controller in speed regulation of induction motor[C].MA,USA:International Conference on Mechanic Automation & Control Engineering,IEEE,2011.

[11] Wu Qizhou.Study on direct torque control of induction motor based on DRNN-ADRC[J].Control Engineering of China,2011(7):98-103.

[12] 韓京清.自抗擾控制器及其應(yīng)用[J].控制與決策,1998,13(1):19-23.

[13] 黃文新,李勇,胡育文.用空間電壓矢量調(diào)制異步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2007,39(1):127-132.

[14] Aissa O,Moulahoum S,Colak I,et al. Improved performance and power quality of direct torque control of asynchronous motor by using intelligent controllers[J].Electric Power Components & Systems,2016,44(4):343-358.

[15] Liu X,Zheng A.New direct torque control of asynchronous motor with low ripple in torque and current, and quick response[C].Taipei:IEEE Transportation Electrification Conference and Expo,Asia-Pacific,2016.

[16] Li M,Zhou Z,Huang S,et al.Efficiency optimization of asynchronous motor direct torque control based on feedforward compensation[J].China Mechanical Engineering,2015(9):103-108.

Simulation Research on DTC System of Asynchronous Motor Based on ADRC

LI Shaolong,YANG Xiaojie,LI Wenlong,HU Jingyi,LIU Jian,ZHAO Qin

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China)

In view of the defects of the existing asynchronous motor DTC speed regulation system, such as poor anti-interference ability, speed and flux ripple. In this paper, based on the original system, the auto disturbance rejection technique is introduced, and a DTC system of asynchronous motor based on ADRC is constructed. In order to achieve the goal of high anti-interference ability, low speed and flux ripple, an auto disturbance rejection controller was designed. The simulation results were obtained by building the Matlab simulation model. It is verified that the auto disturbance rejection control strategy can effectively reduce the fluctuation of the DTC speed regulation system, enhance the anti-interference ability of the system, and make the working frequency of the bridge to be stable.

asynchronous motor; ADRC technology;Matlab simulation model

2017- 03- 22

國家自然科學(xué)基金(61205076)；電動叉車控制器的研發(fā)(3A16302075)

李少龍(1972-)，男，碩士，講師，研究方向：電力電子非線性及控制。

TN773；TM 46

A

1007-7820(2018)02-035-05