王愛(ài)元， 李健， 顧春陽(yáng)

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306)

考慮負(fù)載不確定的異步電機(jī)反饋線性化的最小損耗控制

王愛(ài)元， 李健， 顧春陽(yáng)

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306)

研究異步電機(jī)負(fù)載變動(dòng)時(shí)基于反饋線性化的最小損耗控制的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。首先分析了異步電機(jī)的損耗特性，建立了受電機(jī)溫度時(shí)變參數(shù)影響小的最小損耗磁鏈控制模型，揭示了通過(guò)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)估計(jì)對(duì)磁鏈進(jìn)行控制可實(shí)現(xiàn)最小損耗控制。應(yīng)用微分幾何精確線性化的理論，建立了考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩不確定性的異步電機(jī)反饋線性化模型，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和磁鏈的線性化解耦控制，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)估計(jì)依據(jù)參考模型在電動(dòng)機(jī)反饋線性化控制中實(shí)現(xiàn)。異步電機(jī)的反饋線性化控制既提高了動(dòng)態(tài)時(shí)的響應(yīng)速度，又實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)時(shí)的輕載高效率運(yùn)行。合理選取控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、磁鏈以及轉(zhuǎn)矩估計(jì)的漸進(jìn)收斂。仿真實(shí)驗(yàn)表明所提控制方法的可行性和有效性。

異步電機(jī)；最小損耗；反饋線性化控制；參考模型；轉(zhuǎn)矩估計(jì)

0 引 言

異步電機(jī)作為主要的用電設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，其用電總量占世界工業(yè)用電量的60%。近年來(lái)，異步電機(jī)開(kāi)始應(yīng)用于伺服控制，用于改善生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，但其固有的運(yùn)行特性制約了其進(jìn)一步的應(yīng)用。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)最高運(yùn)行效率在額定負(fù)載的75%左右，伺服系統(tǒng)對(duì)電機(jī)功率的選用要求裕量大，因此電機(jī)多工作在輕載狀態(tài)時(shí)運(yùn)行效率低。隨著節(jié)能環(huán)保問(wèn)題的日益突出，如何提高異步電機(jī)空載或輕載運(yùn)行時(shí)的效率成為學(xué)術(shù)界和工程界迫切需要解決的問(wèn)題。

目前，異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)輕載高效率運(yùn)行的基本原理是控制磁鏈隨負(fù)載減小而下降，從而使電機(jī)的損耗下降，效率和功率因數(shù)隨之提高，方法上可大體分為最小損耗模型控制[1-8]和搜索控制[9-17]。最小損耗模型控制是以精確的數(shù)學(xué)描述為基礎(chǔ)，通過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算建立異步電機(jī)損耗模型，解析地求出總損耗的最小點(diǎn)，以最小損耗為目標(biāo)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。搜索控制不依賴(lài)于電動(dòng)機(jī)的精確模型，依據(jù)電動(dòng)機(jī)的某一運(yùn)行參數(shù)如電流、功率因數(shù)等進(jìn)行搜索控制。這些方法由于電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展聯(lián)系在一起。

早期的研究，針對(duì)于標(biāo)量控制相結(jié)合的節(jié)能控制有轉(zhuǎn)差頻率控制、壓頻比控制和功率因數(shù)控制[1-4，14-17],隨后與矢量控制技術(shù)相結(jié)合的節(jié)能控制開(kāi)始提出[5，9-13]。這些研究大多數(shù)沒(méi)有考慮電機(jī)繞組電阻隨溫度的變化，也不能兼顧電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，因此在實(shí)踐中也沒(méi)有得到很好的應(yīng)用。

近年來(lái)，也出現(xiàn)了與現(xiàn)代控制理論和智能控制理論相結(jié)合的節(jié)能控制：文獻(xiàn)[6-8]將反步控制應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能控制；Osama S等采用人工神經(jīng)網(wǎng)優(yōu)化磁鏈實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)基于損耗模型的標(biāo)量控制[18]；Asghar Taheri等在直接轉(zhuǎn)矩控制中采用自適應(yīng)的梯度搜索算法實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制[19]；文獻(xiàn)[20-21]將預(yù)測(cè)控制運(yùn)用于電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)節(jié)能控制。

本文首先建立了一種不隨溫度變化的最小損耗磁鏈控制模型，模型考慮了電動(dòng)機(jī)不同的運(yùn)行工況、電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及磁路的飽和特性，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的變化對(duì)磁鏈進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)最小損耗；隨后根據(jù)微分幾何的理論建立了轉(zhuǎn)速和磁鏈解耦的反饋線性化控制，依據(jù)模型參考的偏差系統(tǒng)的穩(wěn)定性建立了轉(zhuǎn)矩的估計(jì)模型，根據(jù)估計(jì)的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)線性化反饋控制以及對(duì)磁鏈實(shí)施最小損耗的在線控制；最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出的控制方案。

1 異步電機(jī)最小損耗分析

籠型異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系(α-β坐標(biāo)系)下，以轉(zhuǎn)子角速度、磁鏈和定子電流為狀態(tài)變量的動(dòng)態(tài)方程為：

(1)

電機(jī)的磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩分別為：

(2)

(3)

穩(wěn)態(tài)時(shí)，dφrα/dt=dφrβ/dt=0，由式(1)的第2個(gè)、第3個(gè)方程得：

(4)

忽略機(jī)械損耗，電機(jī)的損耗為

(5)

由式(2)～式(5)，得

(6)

由?p/?φr=0，得電動(dòng)機(jī)最小損耗對(duì)應(yīng)的磁鏈為

(7)

式(7)表明，最小損耗對(duì)應(yīng)的磁鏈與轉(zhuǎn)矩和定轉(zhuǎn)子繞組的電阻、電感有關(guān)。實(shí)際運(yùn)行的電機(jī),轉(zhuǎn)矩是不方便也不容易測(cè)量的，但可以通過(guò)下文的基于參考模型的電動(dòng)機(jī)線性化反饋控制偏差進(jìn)行估計(jì)；優(yōu)化的磁鏈小于電機(jī)的額定磁鏈，磁路保持線性，因此Lm和Lr保持不變；定轉(zhuǎn)子繞組的電阻Rs和Rr隨繞組溫度的變化同時(shí)增大或減小，但其Rr/Rs保持不變。綜合以上分析，最小損耗時(shí)磁鏈的控制關(guān)鍵是對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。

式(7)同時(shí)表明，最小損耗對(duì)應(yīng)的磁鏈的平方與電磁轉(zhuǎn)矩成正比；但電機(jī)受限于磁路的飽和,其磁鏈低于額定磁鏈。

通常電動(dòng)機(jī)的最高效率設(shè)計(jì)在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩的75%左右，此時(shí)電機(jī)的磁鏈接近額定磁鏈，輸出轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增大，磁鏈保持額定磁鏈不變。同時(shí)電機(jī)在起動(dòng)、調(diào)速等動(dòng)態(tài)過(guò)程中，其輸出轉(zhuǎn)矩往往大于額定轉(zhuǎn)矩，這時(shí)磁鏈也要保持在額定磁鏈不變。因此由式(7)得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩低于75%額定轉(zhuǎn)矩時(shí)最小損耗對(duì)應(yīng)的磁鏈，是針對(duì)電機(jī)空載或輕載時(shí)的最小損耗節(jié)能控制。因此，式(7)進(jìn)一步表示為：

(8)

式(8)中最小損耗的磁鏈控制的轉(zhuǎn)矩切換點(diǎn)可根據(jù)具體的電機(jī)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2 輸入輸出線性化控制

對(duì)于式(1)，重新定義狀態(tài)向量

x=[x1,x2,x3,x4,x5]T=[ω,φrα,φrβ,isα,isβ]T。

(9)

輸入向量為

(10)

輸出向量為

(11)

(12)

按照系統(tǒng)輸入輸出反饋線性化的方法，對(duì)2個(gè)輸出變量依次取高階時(shí)間導(dǎo)數(shù)，直至導(dǎo)數(shù)中出現(xiàn)輸入變量，得到采用李導(dǎo)數(shù)的表達(dá)式如下：

(13)

根據(jù)微分幾何的理論，系統(tǒng)的相對(duì)階為2+2=4，系統(tǒng)可以分為轉(zhuǎn)速和磁鏈2個(gè)相互獨(dú)立的2階子系統(tǒng)，而根據(jù)式(12)系統(tǒng)為5階系統(tǒng)，因此要實(shí)現(xiàn)輸入輸出線性化，可引入轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置角作為第3個(gè)輸出變量，如下式所示：

(14)

(15)

引入非線性變換為

(16)

(17)

式(17)中的第2、第4個(gè)方程進(jìn)一步表示為

(18)

式中v1、v2分別為轉(zhuǎn)速和磁鏈幅值平方的虛擬控制輸入。系統(tǒng)的線性化控制律為

(19)

考慮到系統(tǒng)(17)中z3為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的位置角屬于慢時(shí)變的狀態(tài)變量，與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、磁鏈相比短期內(nèi)與系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)無(wú)關(guān)，因此在Lyapunov意義下是穩(wěn)定的，系統(tǒng)的零動(dòng)態(tài)是穩(wěn)定的，可以采用輸入輸出線性化的控制。

3 控制器設(shè)計(jì)和基于參考模型的偏差系統(tǒng)

虛擬控制v1、v2重新設(shè)計(jì)如下：

(20)

控制參數(shù)k11、k12、k21、k22的選擇首先要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制品質(zhì)，其次要保證控制器不能進(jìn)入飽和狀態(tài)，即由式(19)、式(20)得到的電機(jī)系統(tǒng)的控制電壓低于額定電壓。

在控制作用下系統(tǒng)可進(jìn)一步表示為：

(21)

穩(wěn)態(tài)時(shí)擾動(dòng)誤差eτ=0，因此可以選擇如下的參考模型：

(22)

e= [e11,e12,e21,e22]T=

[z11-z11M,z12-z12M,z21-z21M,z22-z22M]T。

(23)

根據(jù)式(21)和式(22)，得偏差微分方程為

Ke+Teτ。

(24)

4 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和轉(zhuǎn)矩的估計(jì)

式(24)含有狀態(tài)偏差和擾動(dòng)偏差，可選擇以下Lyapunov函數(shù)

(25)

式中:P為正定實(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣;λ為適當(dāng)?shù)恼龑?shí)數(shù)。矩陣P同時(shí)滿(mǎn)足KTP+PK=-Q，其中Q為正定實(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣。

V沿偏差方程(24)求導(dǎo)數(shù)，得

(26)

注意到式(26)中(TTPe)T=eTPT，且均為標(biāo)量，因此

(27)

(28)

5 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所建立的異步電機(jī)反饋線性化的最小損耗控制的有效性，首先在Matlab/SIMULINK平臺(tái)上建立控制系統(tǒng)模型，包括異步電機(jī)、磁鏈觀測(cè)、線性反饋控制、轉(zhuǎn)矩估計(jì)、最小損耗磁鏈控制模塊。其次對(duì)一臺(tái)4kW極對(duì)數(shù)為2的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得主要參數(shù)如表1所示，以此作為電動(dòng)機(jī)的仿真和實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。

表1 異步電機(jī)的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of induction motor

5.1 系統(tǒng)仿真

仿真分動(dòng)態(tài)仿真和穩(wěn)態(tài)仿真2個(gè)方面，動(dòng)態(tài)仿真主要驗(yàn)證線性化反饋控制和轉(zhuǎn)矩估計(jì)算法的有效性，穩(wěn)態(tài)仿真主要驗(yàn)證電機(jī)最小損耗的控制。Lyapunov函數(shù)式(25)中與P相關(guān)聯(lián)的矩陣Q取單位矩陣，λ=100?？刂茀?shù)如下：

動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程如下：在0秒時(shí)刻滿(mǎn)載起動(dòng)；2秒時(shí)刻進(jìn)入轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)；10秒時(shí)刻電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩階躍性地由TN變?yōu)?.3TN。圖1、圖2為動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果。

圖1為電機(jī)的輸出響應(yīng)及對(duì)轉(zhuǎn)矩的估計(jì)，其中圖1(a)、圖1(b)分別為轉(zhuǎn)速和磁鏈的跟蹤曲線，圖1(c)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩和估計(jì)轉(zhuǎn)矩曲線。仿真表明在電機(jī)起動(dòng)階段轉(zhuǎn)速和磁鏈均能快速地跟蹤指令值，估計(jì)轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使得磁鏈的指令值迅速變?yōu)轭~定磁鏈；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在10s時(shí)刻發(fā)生突變時(shí)，轉(zhuǎn)速馬上有一個(gè)波動(dòng)，隨后又跟隨轉(zhuǎn)速指令，而磁鏈的變化要取決于估計(jì)轉(zhuǎn)矩，從10.5s時(shí)刻開(kāi)始估計(jì)轉(zhuǎn)矩開(kāi)始低于0.75TN，磁鏈沿式(8)確定的優(yōu)化磁鏈曲線變化，這說(shuō)明轉(zhuǎn)速和磁鏈的跟蹤控制是獨(dú)立的。

圖1 電機(jī)的輸出響應(yīng)及對(duì)轉(zhuǎn)矩的估計(jì)Fig.1 Output response and estimated torque

圖2為負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化前后估計(jì)轉(zhuǎn)矩、磁鏈和損耗的變化曲線，表明當(dāng)估計(jì)的轉(zhuǎn)矩低于0.75TN時(shí)，磁鏈開(kāi)始向額定磁鏈以下調(diào)節(jié)；而對(duì)應(yīng)的損耗在負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化的10s時(shí)刻就開(kāi)始下降，這是由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩向下調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速指令沒(méi)有變化，輸入電機(jī)的電能有所下降使得損耗有所下降。隨著磁鏈向下調(diào)節(jié)，損耗加速下降。

圖2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)矩、磁鏈和損耗的變化曲線Fig.2 Varied curves of estimated torque,flux and loss with load torque

圖1、圖2的仿真還表明在轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)取相同控制參數(shù)的情況下，轉(zhuǎn)速的超調(diào)要大于磁鏈的超調(diào)，這是由于轉(zhuǎn)矩估計(jì)的適應(yīng)律式(28)與轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)式(18)的第1個(gè)方程還存在一定的耦合；但這不影響最小損耗的控制。

穩(wěn)態(tài)仿真針對(duì)于電機(jī)帶低于額定負(fù)載的轉(zhuǎn)矩在優(yōu)化磁鏈控制下穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)期運(yùn)行，并與保持額定磁鏈控制時(shí)的損耗進(jìn)行比較。圖3給出了2種磁鏈控制方式在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的比較。仿真表明最小損耗的優(yōu)化磁鏈控制節(jié)能效果要優(yōu)于恒定的額定磁鏈，特別是負(fù)載轉(zhuǎn)矩低于0.3TN。隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大，兩種磁鏈控制的損耗趨于一致。

5.2 實(shí)驗(yàn)

以DSPTMS320F28335為控制核心搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，1臺(tái)4kW的直流發(fā)電機(jī)作為異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，負(fù)載的調(diào)節(jié)通過(guò)直流發(fā)電機(jī)外接的變阻器實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器用于測(cè)量轉(zhuǎn)速，通過(guò)霍爾電流傳感器測(cè)量輸入電動(dòng)機(jī)的電流，通過(guò)分壓濾波對(duì)輸入電動(dòng)機(jī)的電壓進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)測(cè)量的電壓、電流進(jìn)行適當(dāng)運(yùn)算得到電動(dòng)機(jī)的輸入功率和轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)。

圖3 優(yōu)化磁鏈控制和恒定額定磁通控制的損耗比較Fig.3 Loss comparison of optimized flux and rated flux

圖4為額定轉(zhuǎn)速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩由0.8TN變?yōu)?.3TN時(shí)轉(zhuǎn)速、磁鏈、估計(jì)轉(zhuǎn)矩和損耗的變化曲線。實(shí)驗(yàn)表明：隨著轉(zhuǎn)矩的下降，轉(zhuǎn)速有1個(gè)向上波動(dòng)的變化過(guò)程，隨后趨于平穩(wěn)；磁鏈的變化隨著估計(jì)轉(zhuǎn)矩的下降向下調(diào)節(jié)，而當(dāng)估計(jì)的轉(zhuǎn)矩趨于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行趨于穩(wěn)態(tài)，磁鏈也不再向下調(diào)節(jié)；損耗先有1個(gè)急劇的下降，隨著轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定和磁鏈調(diào)節(jié)的結(jié)束，損耗保持為1個(gè)小的多的數(shù)值。負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)轉(zhuǎn)速、磁鏈、估計(jì)轉(zhuǎn)矩和損耗的變化與仿真的結(jié)果基本一致。

圖5為電機(jī)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下帶不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)損耗與仿真所得損耗的比較。仿真實(shí)驗(yàn)表明電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩低于額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，最小損耗的磁鏈優(yōu)化損耗明顯低于額定磁鏈損耗，并且負(fù)載轉(zhuǎn)矩越小，節(jié)能效果越顯著。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)與仿真的損耗比較也能發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)損耗要高于仿真損耗，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩越小其差距越明顯，這是因?yàn)闉榱撕?jiǎn)化分析最小損耗磁鏈優(yōu)化模型以及線性化反饋控制模型都忽略了空載機(jī)械損耗和等效鐵耗，式(8)是基于最小損耗的定轉(zhuǎn)子銅耗的磁鏈優(yōu)化控制，沒(méi)有考慮等效的鐵耗電阻；但即使這樣輕載時(shí)優(yōu)化的磁鏈要低于額定磁鏈，根據(jù)電機(jī)學(xué)的理論，鐵耗也會(huì)相應(yīng)下降，因此總損耗也是下降的，這與前人的研究[5-14]結(jié)論是一致的。

鑒于現(xiàn)階段電動(dòng)機(jī)空載機(jī)械損耗和等效鐵耗的準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算還是比較困難的，最小損耗和轉(zhuǎn)速控制忽略這2種損耗也是一種簡(jiǎn)潔有效的方法。

圖4 實(shí)驗(yàn)獲得的轉(zhuǎn)速、磁鏈、估計(jì)轉(zhuǎn)矩和損耗隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化曲線Fig.4 Experimental varied curves of speed,estimated torque,flux and loss with load torque

圖5 實(shí)驗(yàn)與仿真的損耗比較Fig.5 Loss comparisons for experiment and simulation

6 結(jié) 論

本文建立了考慮磁路飽和、受溫度等時(shí)變參數(shù)影響小的異步電機(jī)最小損耗磁鏈控制模型以及反饋線性化控制模型，采用基于參考模型的偏差系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的估計(jì)，根據(jù)估計(jì)的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)最小損耗控制和線性化的反饋控制，仿真實(shí)驗(yàn)表明：

1)線性化反饋控制實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、磁鏈的獨(dú)立線性反饋控制；

2)電磁轉(zhuǎn)矩的估計(jì)能夠準(zhǔn)確反映電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化；

3)負(fù)載轉(zhuǎn)矩下降時(shí)，節(jié)能效果明顯優(yōu)于恒磁通控制。

未來(lái)的工作是促進(jìn)最小損耗和線性化反饋控制的工程化，進(jìn)一步研究考慮空載機(jī)械損耗和鐵耗的最小損耗控制。

[1] KIRSCHEN Daniel S,NOVOTNY Donald W,SUWANWISOOT Warin.Minimizing induction motor losses by excitation control in variable frequency drive[J].IEEE Transaction on Industry Applications,1984,20(5): 1244-1250.

[2] 李陽(yáng)，張?jiān)?，常進(jìn).基于轉(zhuǎn)差率的感應(yīng)電機(jī)最優(yōu)效率控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2005,9(3):215-217. LI Yang,ZHANG Zengke,CHANG Jin.Slip frequency based optimal efficiency control of induction motor[J].Electric Machines and Control,2005,9(3):215-217.

[3] Andersen H R,Pedersen J K.Low cost energy optimized control strategy for a variable speed three-phase induction motor[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference,1996,1: 920-924.

[4] 常進(jìn)， 張?jiān)?感應(yīng)電機(jī)恒功率因數(shù)控制的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,22(11):70-74. CHANG Jin,ZHANG Zengke.The research on constant power factor control of induction motor[J].Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering,2002,22(11):70-74.

[5] UDDIN M Nasir,SANG Woo Nam.New Online loss-minimization-based control of an induction motor drive[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(2): 926-933.

[6] UDDIN M Nasir,SANG Woo Nam.Development of a Nonlinear and model-based online loss minimization control of an im drive[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23(4):1015-1024.

[7] HAJIANM,SOLTANI J,MARKADEH G A,et al.Adaptive nonlinear direct torque control of sensorless im drives with efficiency optimization[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(3):975-985.

[8] 苗敬利,李華德,胡廣大,等.感應(yīng)電機(jī)效率優(yōu)化的自適應(yīng)反步控制研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009,13(9):749-753. MIAO Jingli,LI Huade,HU Guangda,et al.Efficiency optimization control of induction motors based on adaptive backstepping method[J].Electric Machines and Control,2009,13(9):749-753.

[9] SOUSA Gilberto C D,BOSE Bimal K,CLELAND John G.Fuzzy logic based on-line efficiency optimization control of an indirect vector-controlled induction motor drive[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1995,42(2):192-198.

[10] BOSE B K,PATAL N R,RAJASHEKARA K.A neuro-fuzzy-based on-Line efficiency optimization control of a stator flux-oriented direct vector-controlled induction motor drive[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44(2)：270-273.

[11] ABDINE S,GHONEEM G A,DIAB H M M,et al. Efficiency optimization of a vector controlled induction motor drive using an artificial neural network[C].The 29th Annual Conference of the IEEE on Industrial Electronics Society,2003,3: 2543-2548.

[12] 劉小虎，謝順依，鄭力捷.一種改進(jìn)的感應(yīng)電機(jī)最大效率控制技術(shù)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(6): 95-98. LIU Xiaohu,XIE Shunyi,ZHENG Lijie.Improvement of efficiency-optimization control of induction motor drives [J].Proceedings of the CSEE,2005,25(6): 95-98.

[13] 張立偉，溫旭輝，鄭瓊林.異步電機(jī)用混合式模糊搜索效率優(yōu)化控制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(27): 83-87. ZHANG Liwei,WEN Xuhui,ZHENG Qionglin.Fuzzy logic based hybrid search control strategy for efficiency optimization control of induction motors[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(27): 83-87.

[14] KIRSCHEN D S,NOVOTNY D W,LIPO T A.On-line efficiency optimization of a variable frequency induction moter drive[J].IEEE Transaction on Industry Applications,1985,IA-21(4): 610-615.

[15] KIRSCHEN D S,NOVOTNY D W,LIPO T A.Optimal efficiency control of an induction motor drive[J].IEEE Transactions Energy Conversion,1987,2(3): 70-76.

[16] SULS K,PARK M H．A novel technique for optimal efficiency control of a current-source inverter-fed induction motor[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1988,3(2):192-199.

[17] KIOSKERIDIS I,MARGARIS N.Loss minimization in scalar-controlled induction motor drives with search controllers[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1996,11(2): 213-220.

[18] EBRAHIM Osama S,BADR Mohamed A,ELGENDY Ali S,et al.Ann-based optimal energy control of induction motor drive in pumping applications[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2010,25(3): 652-660.

[19] TAHERI Asghar,RAHMATI Abdolreza,KABOLI Shahriyar.Efficiency Improvement in DTC of Six-Phase Induction machine by adaptive gradient descent of flux[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(3): 1552-1562.

[20] STUMPER Jean-Francois,D?TLINGER Alexander,KENNEL Ralph.Loss minimization of induction machines in dynamic operation[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2013,28(3):726-735.

[21] VARGAS René,RODRIGUEZ Jose,ROJAS Christian A,et al.Predictive control of an induction machine fed by a matrix converter with increased efficiency and reduced common-mode voltage[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2014,29(2): 473-485.

Developing loss minimization of induction motors based on feedback linearization control considering load uncertainties

WANG Ai-yuan， LI Jian， GU Chun-yang

(School of Electric Engineering,Shanghai Dianji University,Shanghai 201306,China)

The research is about the loss minimization for variable load torque of induction motors with feedback linearization control.Flux control model for minimal loss without affection by time-varying parameters was deduced.Loss minimization of the motors was achieved by adjusting the flux according the torque variety.Based on exact linearization of differential geometry theory,the model of feedback linearization control considering torque disturbance was presented.The speed and the flux can be decoupling controlled in linearization.The motor torque was estimated online by reference model of the feedback linearization control.The feedback linearization control for induction motors increase dynamic response ability,as well as high efficiency operating at light loads.The speed,flux and estimated torque can realize asymptotic convergence with reasonable control parameters.The simulation and experiment results verify the feasibility and effectiveness of the proposed scheme.

induction motors; loss minimization; feedback linearization control; reference model; torque estimated

2015-10-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(61374136)；上海電機(jī)學(xué)院登峰學(xué)科建設(shè)(15DFXK01)

王愛(ài)元(1968—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡妱?dòng)機(jī)節(jié)能、新型電機(jī)及其控制； 李 健(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦碗姍C(jī)設(shè)計(jì)與控制； 顧春陽(yáng)(1988—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器控制。

王愛(ài)元

10.15938/j.emc.2017.05.010

TM 34

A

1007-449X(2017)05-0073-08