同步坐標下無刷雙饋電機無源性控制*

陳集思1，楊俊華1，黃健健2，吳捷3

(1. 廣東工業(yè)大學 自動化學院,廣東 廣州510006;

2. 機械工業(yè)部深圳設計研究院有限公司,廣東 深圳518000;

3. 華南理工大學 電力學院,廣東 廣州510641)

摘要：針對無刷雙饋電機非線性PID控制方案中轉(zhuǎn)速和負載轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應性能差，負載突變時易引起振蕩等問題，提出無源性控制策略。根據(jù)無刷雙饋電機同步速旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩方程，建立電機的歐拉-拉格朗日模型；從能量角度分析電機電氣子系統(tǒng)與機械子系統(tǒng)的無源性，設計電機的轉(zhuǎn)矩控制器和轉(zhuǎn)速控制器。為改善系統(tǒng)動態(tài)響應，降低其對參數(shù)變化的靈敏度，通過在控制器中加入非線性阻尼，實現(xiàn)系統(tǒng)的快速收斂?；贛ATLAB/Simulink環(huán)境搭建了無刷雙饋電機無源性控制的仿真模型，仿真結(jié)果表明，無源性控制策略可快速跟蹤給定轉(zhuǎn)速，動態(tài)響應性能好，全局穩(wěn)定、魯棒性好。

關鍵詞：無刷雙饋電機； 無源性控制； 非線性阻尼； 動態(tài)響應； 魯棒性

基金項目：* 國家自然科學基金資助項目(51307025,5177050,51407035);廣東省高等學?？萍紕?chuàng)新項目(2013KJCX0059);廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目資助(2012LYM_0052;2013LYM_0019)

通訊作者：陳集思

中圖分類號：TM 301.2;TP 273文獻標志碼： A

收稿日期：2015-03-26

Passivity-Based Control Strategies of Brushless Doubly-Fed Machine

CHENJisi1,YANGJunhua1,HUANGJianjian2,WUJie3

(1. School of Automation, GuangdongUniversity of Technology, Guangzhou 510006, China;

2. Shenzhen Machinery Institure Architectural Design, Co.， Ltd.， Shenzhen 518000, China;

3. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China )

Abstract：A novel passive control strategy was proposed to improve the dynamic response performance of the speed and load torque of the brushless doubly-fed machine(BDFM) with the nonlinear PID control scheme,and the oscillation as the load changes suddenly. The Euler-Lagrangian model of BDFM was established based on the equations of the voltage,flux and torque of BDFM in synchronous speed rotary coordinate system. The passivity of the electrical subsystems and mechanical subsystems of the machine were analysized by the view of energy, and the controllers of the torque and speed were designed.In order to improve the system dynamic response and reduce its sensitivity to parameter variations, the nonlinear damping was added into the controller to make the system achieve fast convergence.A novel simulation model of BDFM with passivity control strategy was built in MATLAB/Simulink environment.The simulation results showed that a given speed of BDFM could be fastly tracked, BDFM had good dynamic performance,global stability and good robustness with the passive control strategy.

Key words： brushless doubly-fed machine; passivity based control; nonlinear damping; dynamic response; robustness

0引言

無刷雙饋電機(Brushless Doubly-Fed Machi-nes, BDFM)是一種新型交流調(diào)速電機。BDFM結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)固、功率因數(shù)可調(diào)、調(diào)速控制裝置容量小、運行模式靈活，在可調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電領域應用前景廣泛。近年來，國內(nèi)外學者對BDFM進行了較多研究，建立了較為準確實用的數(shù)學模型[1]，提出標量控制[2]、矢量控制[3]、轉(zhuǎn)子磁場定向控制[4]、直接轉(zhuǎn)矩控制[5-9]、智能控制[10-12]、自適應控制[13-15]等多種控制策略。文獻[4]分別將BDFM的功率繞組和控制繞組在各自的同步坐標系下進行磁場定向，數(shù)學模型和轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略得以簡化，控制性能良好。文獻[5]研究了一類無刷雙饋電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、計算量小，但磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動較大。為此，文獻[7]提出采用轉(zhuǎn)矩預測法，有效減小了轉(zhuǎn)矩脈動并改善了定子電流波形。文獻[10]通過引入轉(zhuǎn)矩預測控制策略，獲得了良好的動態(tài)性能。采用磁場定向矢量控制方案的BDFM調(diào)速系統(tǒng)，存在超調(diào)及動態(tài)穩(wěn)定遲滯等問題，文獻[11]結(jié)合模糊控制和PI控制，控制效果明顯好于單獨的PI控制。文獻[12]設計了BDFM的PID神經(jīng)網(wǎng)絡控制器，轉(zhuǎn)速跟蹤準確，但過分依賴于系統(tǒng)模型，對系統(tǒng)未建模動態(tài)和未知擾動亦未作出較好的估計和補償?；诓úǚ虺€(wěn)定性理論的模型參考自適應算法，文獻[13]提出了一種轉(zhuǎn)矩和磁鏈計算的新方法，改進了BDFM直接轉(zhuǎn)矩控制策略。BDFM是一個高階、多變量、非線性及強耦合系統(tǒng)，各類控制策略都存在局限性[16]。

無源性控制策略(Passivity Based Control， PBC)最早應用于機器人控制，由Omega等人將PBC的概念引入到電機控制中。各類電機，無非都是基于法拉第電磁感應定律進行機電能量變換，PBC強調(diào)從能量的觀點，考慮將電機處理成非線性控制對象，通過配置系統(tǒng)能量耗散特性方程中的無功分量，迫使系統(tǒng)總能量跟蹤期望的能量函數(shù)，并使系統(tǒng)的狀態(tài)變量漸近收斂至設定值。電機動態(tài)方程中的無功分量則不必抵消，其對系統(tǒng)能量平衡及穩(wěn)定性無影響，控制器簡單、魯棒性好。文獻[17]研究了雙饋電機PBC的設計步驟，轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)相互協(xié)調(diào)，保證了定轉(zhuǎn)子電流及轉(zhuǎn)速的漸近跟蹤。針對變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)，文獻[18]提出了一種既能漸近跟蹤期望的定轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)速，又可保持定子側(cè)單位功率因數(shù)運行的無源控制器，實現(xiàn)了風電系統(tǒng)的最大風能捕獲。文獻[19]設計了本質(zhì)上是非線性反饋的PBC，實現(xiàn)了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)在負載轉(zhuǎn)矩時變未知情形下磁鏈、轉(zhuǎn)速的漸近跟蹤控制。文獻[20]論證了BDFM的無源性，給出了d-q軸旋轉(zhuǎn)坐標下的轉(zhuǎn)速控制器。

根據(jù)無源性控制理論，本文將BDFM的轉(zhuǎn)子磁鏈參考值作為轉(zhuǎn)矩控制器的輸入，并在轉(zhuǎn)矩控制器前加上線性調(diào)節(jié)器，通過漸近跟蹤磁鏈設定值，調(diào)節(jié)BDFM的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。控制器中加入了非線性阻尼，系統(tǒng)收斂快速。

1BDFM的無源性分析

1.1BDFM的數(shù)學模型

BDFM定子的功率繞組直接接工頻電源，控制繞組通過變頻器與工頻電源連接。

功率繞組子系統(tǒng)在其同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的d-q軸電壓和磁鏈方程為[21]

(1)

(2)

控制繞組子系統(tǒng)在其同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的d-q軸電壓和磁鏈方程為

(3)

(4)

式中：uqp、udp、iqp、idp、ψqp、ψdp、rp、Lp、Lmpr、ψqrp、ψdrp——功率繞組的電壓、電流、磁鏈、電阻、自感、功率繞組與轉(zhuǎn)子之間的互感和功率繞組轉(zhuǎn)子磁鏈的q軸和d軸分量；

uqc、udc、iqc、idc、ψqc、ψdc、rc、Lc、Lmcr、ψqrc、ψdrc——控制繞組的電壓、電流、磁鏈、電阻、自感、控制繞組與轉(zhuǎn)子之間的互感和控制繞組中轉(zhuǎn)子磁鏈的q軸和d軸分量；

ωr、ωp、ωc、ωsp、ωsc——機械角速度、功率繞組和控制繞組的角頻率和轉(zhuǎn)差角速度；

D——微分算子；

上標p、c——功率繞組同步速坐標系、控制繞組同步速坐標系；

下標p、c、s、r——功率繞組、控制繞組、定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)的物理量；

下標d、q——d-q坐標系下q、d軸分量。

BDFM的電磁轉(zhuǎn)矩方程為

Te=Tep+Tec

(5)

其中：

(6)

式中：Tep、Tec——功率繞組子系統(tǒng)和控制繞組子系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。

運動方程為

(7)

式中：J、Kd、Tl——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)和負載轉(zhuǎn)矩。

1.2BDFM控制繞組的Euler-Lagrange系統(tǒng)

BDFM功率繞組與電網(wǎng)直接相連接，其電壓的大小和頻率由電網(wǎng)決定，通過調(diào)節(jié)BDFM控制繞組的電壓和頻率，就可以控制電機的運行模式。為分析BDFM的無源性，現(xiàn)將式(3)轉(zhuǎn)化為EL方程的形式，電流的狀態(tài)方程為

(8)

其中：

式中：u和i——控制繞組子系統(tǒng)的輸入電壓矢量和輸出電流矢量；

M和R——分別為控制繞組子系統(tǒng)的電感矩陣和電阻矩陣；

W——與控制繞組子系統(tǒng)有關的項；

C和CT——反對稱矩陣。

1.3BDFM控制繞組無源性分析

分別對BDFM控制繞組的電氣子系統(tǒng)和機械子系統(tǒng)進行無源性分析。

忽略繞組的電容效應，定義BDFM控制繞組中電氣部分的能量函數(shù)為

(9)

對時間求導：

(10)

將式(8)代入式(10)：

(11)

因C具有反對稱性，即iTCi=0，所以Ci項不會影響系統(tǒng)的能量變化，也就不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在設計BDFM控制策略時，可忽略該部分的非線性因素，可以認為是一個配置系統(tǒng)無功分量的過程。

將式(11)兩邊進行積分可得

He(t)-He(0)=∫0tiTudτ-∫0tiTRidτ-

∫0tiTWddτ<∫0tiTudτ

(12)

式(12)左邊是控制繞組電氣子系統(tǒng)能量的增量，右邊為電機從電源獲取的能量?，F(xiàn)將u視為電氣子系統(tǒng)輸入，則iT為子系統(tǒng)輸出。右邊第二項實際就是電氣子系統(tǒng)內(nèi)部的電阻消耗、第三項則為電氣子系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為機械能部分的能量。式(12)表明，控制繞組電氣子系統(tǒng)磁場儲存能量的增加量，總是小于控制繞組從電源獲得的能量，所以電氣子系統(tǒng)是嚴格無源的。

假設BDFM轉(zhuǎn)軸為剛性，即BDFM機械部分存儲的能量全部為動能，則其能量函數(shù)可定義為

(13)

對式(13)進行時間求導后代入式(7)，積分后可得

(14)

式(14)左邊為機械子系統(tǒng)所增加的能量，右邊為機械子系統(tǒng)輸入的能量。若將Te-TL視為機械子系統(tǒng)輸入，ωm視為機械子系統(tǒng)輸出，則BDFM的機械子系統(tǒng)嚴格無源。

由并聯(lián)系統(tǒng)的無源性原理可知，因為電氣子系統(tǒng)和機械子系統(tǒng)均為嚴格無源的，故其并聯(lián)形成的整個BDFM系統(tǒng)也是嚴格無源的。功率繞組、控制繞組和機械三部分子系統(tǒng)的相互連接關系如圖1所示。

圖1　BDFM的反饋互聯(lián)結(jié)構(gòu)

設計PBC方案時，可將控制繞組電氣子系統(tǒng)的能量存儲函數(shù)作為總的能量函數(shù)，機械子系統(tǒng)則可看作是電氣子系統(tǒng)的無源干擾。

2基于無源性的控制器設計

2.1轉(zhuǎn)矩控制器設計

為實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場漸近矢量控制和電磁轉(zhuǎn)矩漸近跟蹤，制定如下控制目標：

(1) 電磁轉(zhuǎn)矩漸近跟蹤，即

(15)

(2) 控制繞組子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量漸近定向，即

(16)

(3) 控制繞組子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁鏈d軸分量漸近跟蹤，即

(17)

為此，定義實際狀態(tài)與狀態(tài)期望值之間的跟蹤誤差為

(18)

由方程(8)，可得到系統(tǒng)的誤差方程：

(19)

式中：η——作用于系統(tǒng)的擾動。

(20)

定義誤差方程的能量存儲函數(shù)為

(21)

求式(21)對時間的導數(shù)，有：

(22)

由于C為反對稱矩陣，所以式(22)右邊第一項為零，整理上式，可得

(23)

功率繞組與電網(wǎng)直接連接，計算功率繞組磁鏈時，可忽略其電阻壓降。即功率繞組磁鏈為

(24)

將功率繞組子系統(tǒng)的磁鏈與其對應的同步速旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸重合，得到以下關系，即：

(25)

整理可得

(26)

在確定轉(zhuǎn)速下，功率繞組同步速坐標系中轉(zhuǎn)子電流分量將為恒定值。

(27)

由式(3)的第3行可得到控制繞組的轉(zhuǎn)差角速度為

(28)

令η=0，由式(3)的1、2行可得PBC系統(tǒng)的控制律為

(29)

將式(27)、式(28)代入式(29)，化簡可得

(30)

為保證整個控制系統(tǒng)嚴格無源，改善系統(tǒng)動態(tài)響應并降低控制系統(tǒng)對參數(shù)變化的靈敏度，對控制量式(30)注入阻尼項，可得

(31)

式中：k——阻尼系數(shù)。

恒定阻尼注入，雖可改善系統(tǒng)動態(tài)響應，但會影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能，因此提出變阻尼控制策略。變阻尼通過跟蹤微分器實現(xiàn)，在電機起動或動態(tài)過程開始時采用大阻尼，隨后實行自動調(diào)節(jié)，從而改善動態(tài)響應。

針對BDFM的控制系統(tǒng)，所采用二階微分跟蹤器實現(xiàn)變阻尼的注入。若二階跟蹤微分器輸入一個信號v(t)，它將輸出兩個信號x1和x2，其中x1跟蹤輸入信號v(t)，x2作為v(t)的“近似微分”。其形式為

(33)

其中：

(34)

同理，在BDFM控制系統(tǒng)中注入變阻尼時，可在電機起動時注入較大阻尼，接近穩(wěn)態(tài)時切換至較小阻尼。因此，將跟蹤微分器的輸出倒用，獲得變阻尼注入的形式為

(35)

其中：

(36)

式中：k1——起動時希望注入的阻尼值；

k2——接近穩(wěn)態(tài)時希望注入的較小阻尼值；

k——阻尼輸出值。

2.2轉(zhuǎn)速控制器設計

基于無源性的BDFM轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，能夠漸近跟蹤時變的轉(zhuǎn)矩，只要建立轉(zhuǎn)速誤差反饋，采用比例積分調(diào)節(jié)器，就能夠得到下述參考轉(zhuǎn)矩方程：

(37)

式中：kp、ki——比例、積分增益。

可構(gòu)建BDFM無源控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2　BDFM的無源控制結(jié)構(gòu)

3系統(tǒng)仿真試驗

在MATLAB/Simulink平臺上搭建系統(tǒng)的各個模塊，建立系統(tǒng)的仿真模型并進行仿真。系統(tǒng)參數(shù)如下：pp=3，pc=1，rp=0.43Ω，rc=0.436Ω，rr=1.63Ω,rrp=rrc=0.5Rr=0.815Ω，Lp=71.38mH，Lmpr=69.31mH，Lc=65.33mH，Lmcr=60.21mH，Lr=142.8mH，a=70，J=0.03kg·m2，kp=10，ki=0.03，δ=0.003。

圖3為BDFM的初始轉(zhuǎn)速給定為750r/min時，空載起動，系統(tǒng)在0.25s時達到穩(wěn)定，在2.5s時加入負載10N·m突變系統(tǒng)的動態(tài)響應波形。負載變化時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速超調(diào)量超過設定值的20%，并伴隨小幅振蕩，輸出轉(zhuǎn)矩跟蹤迅速，在2.8s時系統(tǒng)重新達到穩(wěn)定，整個過程中，轉(zhuǎn)速波動較小，無超調(diào)現(xiàn)象。

圖3　負載變化時動態(tài)響應

圖4為BDFM初始轉(zhuǎn)速給定為600r/min時，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)經(jīng)過0.3s的小幅振蕩后達到穩(wěn)定，在2.5s時轉(zhuǎn)速給定突增到900r/min的動態(tài)響應波形。由圖4可見，轉(zhuǎn)速動態(tài)響應迅速，最大超調(diào)量不超過設定值的10%，在2.8s時系統(tǒng)達到電磁轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。

圖4　轉(zhuǎn)速變化時動態(tài)響應

4結(jié)語

在籠型轉(zhuǎn)子BDFM的轉(zhuǎn)速控制中引入無源性非線性控制方法，從能量的角度分離出系統(tǒng)“無功力”，有效簡化控制器設計，提高了系統(tǒng)魯棒性。以變結(jié)構(gòu)的形式注入非線性阻尼，提高了系統(tǒng)收斂速度，改善系統(tǒng)動態(tài)響應。仿真結(jié)果驗證了方法的可行性。

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