基于遺傳算法的雙饋電機(jī)速度控制系統(tǒng)研究

樊明龍，徐 秋

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇225127)

0 引言

近年來，雙饋感應(yīng)電機(jī)(以下簡稱DFIM)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、電動汽車和船舶驅(qū)動等需要進(jìn)行變速控制的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。常用的DFIM控制技術(shù)是磁場定向矢量控制技術(shù)(FOC)和直接轉(zhuǎn)矩控制(以下簡稱DTC)技術(shù)。比較這2種控制技術(shù)，DTC是在靜止的坐標(biāo)系中直接對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，無需進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換，因而DTC具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，是目前DFIM控制的主流應(yīng)用技術(shù)［1］。然而DTC也存在明顯的問題，當(dāng)電機(jī)在低速段運(yùn)行時，輸出轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)較大的脈動［2－3］，影響低速段的控制性能。

近年來，一些新型的DTC方案被提出，這些方案的目標(biāo)是改善低速段的轉(zhuǎn)矩脈動，從而提高轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制精度，獲取更寬的調(diào)速范圍。文獻(xiàn)［4］應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)理論和反演控制方法設(shè)計(jì)了DFIM的非線性控制器，以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的有效跟蹤。文獻(xiàn)［5］應(yīng)用模糊理論設(shè)計(jì)了PI控制器參數(shù)，以改善電機(jī)的動態(tài)特性。文獻(xiàn)［6］介紹了基于自擾抗控制的無速度傳感器控制方法，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。本文提出并研究了應(yīng)用于DFIM的新型組合GA－PI－DTC控制方法，用遺傳算法(以下簡稱GA)調(diào)制PI控制器的參數(shù)，以適應(yīng)系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的調(diào)節(jié)要求，減少轉(zhuǎn)矩脈動，實(shí)現(xiàn)DTC系統(tǒng)的最佳控制。

1 傳統(tǒng)DFIM速度控制系統(tǒng)的工作原理

圖1 采用DTC的DFIM速度控制系統(tǒng)組成示意圖

傳統(tǒng)DFIM速度控制系統(tǒng)如圖1所示，是一個轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器使用PI控制器。DTC中預(yù)存了一組定子電壓空間矢量，根據(jù)定子磁鏈ψ和電磁轉(zhuǎn)矩T的大小選中一個合適的電壓矢量輸出，電壓矢量作用于變頻器，變頻器輸出相應(yīng)的三相電壓，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)定子電壓的調(diào)節(jié)，控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對ψ和T的實(shí)時跟蹤，并確保ψ的運(yùn)動軌跡為圓形，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能。DTC的工作原理是測量DFIM定子電流(或電壓)，使用d，q坐標(biāo)系中的電機(jī)模型公式［7］進(jìn)行估算，得到定子磁鏈ψ和電磁轉(zhuǎn)矩T的大小，同時確定磁鏈所在的扇區(qū)，并將估算值與磁鏈給定值ψ*和轉(zhuǎn)矩給定值T*相比較，根據(jù)轉(zhuǎn)矩誤差、磁鏈誤差和磁鏈扇區(qū)選擇定子電壓矢量。

這種系統(tǒng)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是一個周期內(nèi)只作用一個基本電壓空間矢量，同時磁鏈誤差的方向是不可控的，所以不能在每個周期中都準(zhǔn)確補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差，從而產(chǎn)生磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動，這種影響在電機(jī)低速運(yùn)行時尤其明顯［8］。

2 改進(jìn)后的DFIM轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

2．1 GA－PI－DTC 控制系統(tǒng)組成

為了改善傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)的性能，引入GA參與控制，圖2為 GA－PI－DTC控制系統(tǒng)組成示意圖。GA的作用是根據(jù)系統(tǒng)所處運(yùn)行狀態(tài)在線優(yōu)化PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp，Ki，提高運(yùn)行參數(shù)變化時系統(tǒng)的魯棒性，使PI調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩給定值T*處于最優(yōu)，從而補(bǔ)償DTC控制器的缺陷，減少轉(zhuǎn)矩的脈動和磁鏈的紋波，獲取良好的調(diào)速性能。另外，在改進(jìn)后的系統(tǒng)中不再使用速度傳感器來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而是根據(jù)測得的定子電壓和電流大小估算電機(jī)的轉(zhuǎn)速［9］，實(shí)現(xiàn)DFIM無速度傳感器控制。

圖2 GA－PI－DTC控制系統(tǒng)組成示意圖

2．2 基于GA的PID控制

GA是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法，GA納入了達(dá)爾文關(guān)于自然選擇理論的觀點(diǎn)和孟德爾遺傳學(xué)方面的工作，使用計(jì)算機(jī)模擬生物系統(tǒng)的自然演化［10］。

從工程角度來看，GA是一種優(yōu)化技術(shù)，可以對多個搜索空間進(jìn)行評估，并可以發(fā)現(xiàn)多個解決問題的方法。GA的實(shí)現(xiàn)是通過對生物遺傳和進(jìn)化過程中繁殖、交配和突變機(jī)理的模仿，搜索出問題最優(yōu)解。交配和繁殖驅(qū)動進(jìn)化，突變促使對整個搜索空間進(jìn)行探索，避免結(jié)果過早收斂。

圖3是使用GA優(yōu)化PI參數(shù)的流程圖。這個算法能重復(fù)很多代的進(jìn)化，并允許在迭代過程中創(chuàng)建新的個體，它有可能比他們的父母更好，在達(dá)到問題的最優(yōu)個體解時停止迭代［11］。

在使用GA調(diào)制DTC的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)時，初始參數(shù)設(shè)置如表1所示。為獲取PI調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)組合，在離線狀態(tài)下針對系統(tǒng)可能的不同運(yùn)行狀態(tài)對GA反復(fù)進(jìn)行了模擬評估，得到的幾組最優(yōu)PI參數(shù)組合如表2所示，系統(tǒng)在線運(yùn)行時可以使用這些參數(shù)。

圖3 遺傳算法流程圖

表1 GA的參數(shù)設(shè)置

表2 遺傳優(yōu)化PI參數(shù)組合

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證改進(jìn)后系統(tǒng)的控制效果，使用一臺0.8 kW的DFIM測試了2種控制策略(傳統(tǒng)DTC和DTC－GA)的仿真結(jié)果。所使用的電機(jī)工作參數(shù):額定電壓UN=380 V，額定頻率f=50 Hz，額定轉(zhuǎn)速n=1420 r/min，額定功率 PN=0．8 kW，定子電阻 Rs=11．98 Ω; 轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0．904 Ω，定子自感 Ls=0.414 H，轉(zhuǎn)子自感 Lr=0．055 6 H，互感 M=0．126 H，極數(shù) 4，轉(zhuǎn)動慣量 J=0．01kg·m2，摩擦系數(shù)0.001。

圖4是在連接標(biāo)稱負(fù)載情況下轉(zhuǎn)速ω從0上升到給定值的變化圖。從圖4中可以看出，與傳統(tǒng)DTC相比，DTC－GA控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間縮短1．6倍，超調(diào)量減小10倍。所以，用GA改進(jìn)后的控制系統(tǒng)能更快地到達(dá)基準(zhǔn)值，轉(zhuǎn)速上升動態(tài)過程中基本上不存在因超調(diào)而引起的沖擊，體現(xiàn)出DTC－GA系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的動態(tài)性能優(yōu)異。

圖4 轉(zhuǎn)速變化

圖5 是當(dāng)負(fù)載擾動時電磁轉(zhuǎn)矩T動態(tài)變化跟蹤圖。比較傳統(tǒng)DTC和DTC－GA系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，結(jié)論是在響應(yīng)時間和超調(diào)2個方面的性能都得到了顯著改善。

圖5 轉(zhuǎn)矩變化圖

圖6 和圖7分別為傳統(tǒng)DTC和改進(jìn)后的DTCGA的定子磁通ψ波形及其圓形軌跡。由圖6可知，兩者測得的信號之間比率大于50%(傳統(tǒng)DTC為 0．048 Wb，而 DTC－GA 為 0．029 Wb)，改進(jìn)后的方案明顯降低了定子磁鏈波動。

圖6 定子磁鏈波形

圖7 定子磁鏈圓形軌跡

表3總結(jié)了DTC－GA與傳統(tǒng)DTC在轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、磁鏈等參數(shù)方面的比較結(jié)果?？傮w來看，這項(xiàng)工作的主要貢獻(xiàn)是:減少紋波和過沖;提高響應(yīng)時間;提高跟蹤電磁轉(zhuǎn)矩的能力，改善調(diào)速性能。

表3 DTC－GA主要性能指標(biāo)改進(jìn)

4 結(jié)語

仿真結(jié)果表明，GA－PI－DTC新控制組合有更快的收斂速度，能有效地降低紋波，在動態(tài)響應(yīng)以及穩(wěn)定性能方面有許多改進(jìn)。新的方案更有效率，允許在應(yīng)用過程中對參數(shù)不斷調(diào)試和改進(jìn)，在DFIM控制領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。