異步電機DTC系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩觀測與滑?？刂?/h1>
2018-09-10 03:45王寧于海生
青島大學學報（工程技術(shù)版） 2018年2期
王寧 于海生
摘要： 為改善常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，本文提出了帶負載轉(zhuǎn)矩觀測器的異步電動機DTC系統(tǒng)的滑?？刂品椒?。內(nèi)環(huán)根據(jù)異步電動機在dq坐標系下的數(shù)學模型和滑?？刂评碚?，設(shè)計了一種基于轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的滑模控制器；外環(huán)選取比例積分滑?？刂破魅〈鶳I控制器，利用獲得的參考電壓矢量，通過SVM技術(shù)得到逆變器開關(guān)控制信號。利用電壓重構(gòu)獲取逆變器輸出電壓，可以減少系統(tǒng)的硬件成本。為驗證所設(shè)計的控制系統(tǒng)的性能，使用Matlab/Simulink進行仿真驗證。仿真結(jié)果表明，基于滑?？刂频闹苯愚D(zhuǎn)矩控制策略系統(tǒng)響應更迅速，設(shè)計的控制方案魯棒性強，且明顯減弱了轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，抗干擾能力更強。該研究在異步電機調(diào)速系統(tǒng)中具有很好的控制效果和應用前景。
關(guān)鍵詞： 異步電動機； 直接轉(zhuǎn)矩控制； 滑模控制； 電壓重構(gòu)； 負載觀測器
中圖分類號： TM343； TP273+.3文獻標識碼： A
隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展和自動化水平的不斷提高，交流調(diào)速系統(tǒng)以其良好的靜態(tài)和動態(tài)性能得到了廣泛應用。直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control，DTC）是繼矢量控制（vector control，VC）之后的一種新型控制策略，無需進行旋轉(zhuǎn)坐標變換和解耦，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應快速等優(yōu)點，但在系統(tǒng)運行時存在磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動過大等[15]問題。劉小勇等人[6]提出了一種優(yōu)化電壓矢量選擇方法，雖削弱了轉(zhuǎn)矩脈動，但追求高控制精度的同時也帶來逆變器開關(guān)頻率不穩(wěn)定的缺陷；佘致廷等人[78]設(shè)計了模糊控制器，雖降低了電機轉(zhuǎn)矩脈動，然而在線模糊推理工作量大，實時控制比較困難；A.Ammar等人[910]設(shè)計了一種無速度傳感器DTC方案，實現(xiàn)了高速辨識，降低了系統(tǒng)成本。但在速度計算過程中，系統(tǒng)控制容易受電機參數(shù)的影響，對其依賴性較強?；？刂疲╯liding mode control，SMC）是針對不確定性系統(tǒng)提出的一種有效的非線性控制方法，其速度響應快，魯棒性強，不受外部擾動作用和內(nèi)部參數(shù)變化的影響等優(yōu)點[1114]。基于此，本文將滑模策略引入異步電機SVMDTC中，外環(huán)采用比例積分滑?？刂破魅〈鶳I速度調(diào)節(jié)器，內(nèi)環(huán)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差設(shè)計了滑模控制器，削弱了轉(zhuǎn)矩的脈動，使得系統(tǒng)動態(tài)響應快，魯棒性強。該研究具有很好的應用前景。
1異步電動機數(shù)學模型
在dq坐標系下，選取定子電流與磁鏈作為狀態(tài)變量，則異步電動機的模型[15]可表示為
3控制器設(shè)計
3.1外環(huán)滑模速度調(diào)節(jié)器
基于滑模策略構(gòu)造比例積分型滑?？刂破饕赃_到轉(zhuǎn)速響應快、穩(wěn)態(tài)誤差小的目的，同時削弱傳統(tǒng)SMC中存在的抖振問題[1617]。定義轉(zhuǎn)速誤差為
5結(jié)束語
本文提出了帶負載轉(zhuǎn)矩觀測器的異步電動機DTC系統(tǒng)的滑?？刂品椒ǎ猸h(huán)采用比例積分滑?？刂破?，克服了PI調(diào)節(jié)器無法滿足系統(tǒng)高性能調(diào)速的問題，同時也減弱了傳統(tǒng)SMC中存在的抖振問題；內(nèi)環(huán)根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差，設(shè)計了滑?？刂破鞔鏈h(huán)比較器。仿真結(jié)果表明，本研究所提出的帶負載觀測器的異步電機滑模DTC系統(tǒng)，明顯降低了磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動，改善了系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。該研究具有優(yōu)越的理論意義和應用前景。
參考文獻：
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[15]張志鋒， 唐任遠， 朱建光， 等. 感應電機磁鏈和轉(zhuǎn)矩的非奇異終端滑?？刂芠J]. 電機與控制學報， 2010， 14（12）： 4751.
[16]李政， 胡廣大， 崔家瑞， 等. 永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的積分型滑模變結(jié)構(gòu)控制[J]. 中國電機工程學報， 2014， 34（3）： 431437.
[17]Le H T， Lee C Y， Sang R L. Dynamic Adaptive Backstepping and Saturated Proportional Integral Sliding Mode Control for Uncertain Nonlinear Systems[J]. International Journal of Precision Engineering & Manufacturing， 2010， 11（4）： 527537.
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[19]于海生， 趙克友， 郭雷， 等. 基于端口受控哈密頓方法的PMSM最大轉(zhuǎn)矩/電流控制[J]. 中國電機工程學報， 2006， 26（8）： 8287.
[20]楊渭濱， 呂帥帥. 基于負載轉(zhuǎn)矩觀測器的永磁同步電動機模糊滑?？刂芠J]. 微特電機， 2015， 43（12）： 6971.
王寧 于海生
摘要： 為改善常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，本文提出了帶負載轉(zhuǎn)矩觀測器的異步電動機DTC系統(tǒng)的滑?？刂品椒?。內(nèi)環(huán)根據(jù)異步電動機在dq坐標系下的數(shù)學模型和滑?？刂评碚?，設(shè)計了一種基于轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差的滑模控制器；外環(huán)選取比例積分滑?？刂破魅〈鶳I控制器，利用獲得的參考電壓矢量，通過SVM技術(shù)得到逆變器開關(guān)控制信號。利用電壓重構(gòu)獲取逆變器輸出電壓，可以減少系統(tǒng)的硬件成本。為驗證所設(shè)計的控制系統(tǒng)的性能，使用Matlab/Simulink進行仿真驗證。仿真結(jié)果表明，基于滑?？刂频闹苯愚D(zhuǎn)矩控制策略系統(tǒng)響應更迅速，設(shè)計的控制方案魯棒性強，且明顯減弱了轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，抗干擾能力更強。該研究在異步電機調(diào)速系統(tǒng)中具有很好的控制效果和應用前景。
關(guān)鍵詞： 異步電動機； 直接轉(zhuǎn)矩控制； 滑模控制； 電壓重構(gòu)； 負載觀測器
中圖分類號： TM343； TP273+.3文獻標識碼： A
隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展和自動化水平的不斷提高，交流調(diào)速系統(tǒng)以其良好的靜態(tài)和動態(tài)性能得到了廣泛應用。直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control，DTC）是繼矢量控制（vector control，VC）之后的一種新型控制策略，無需進行旋轉(zhuǎn)坐標變換和解耦，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應快速等優(yōu)點，但在系統(tǒng)運行時存在磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動過大等[15]問題。劉小勇等人[6]提出了一種優(yōu)化電壓矢量選擇方法，雖削弱了轉(zhuǎn)矩脈動，但追求高控制精度的同時也帶來逆變器開關(guān)頻率不穩(wěn)定的缺陷；佘致廷等人[78]設(shè)計了模糊控制器，雖降低了電機轉(zhuǎn)矩脈動，然而在線模糊推理工作量大，實時控制比較困難；A.Ammar等人[910]設(shè)計了一種無速度傳感器DTC方案，實現(xiàn)了高速辨識，降低了系統(tǒng)成本。但在速度計算過程中，系統(tǒng)控制容易受電機參數(shù)的影響，對其依賴性較強?；？刂疲╯liding mode control，SMC）是針對不確定性系統(tǒng)提出的一種有效的非線性控制方法，其速度響應快，魯棒性強，不受外部擾動作用和內(nèi)部參數(shù)變化的影響等優(yōu)點[1114]。基于此，本文將滑模策略引入異步電機SVMDTC中，外環(huán)采用比例積分滑?？刂破魅〈鶳I速度調(diào)節(jié)器，內(nèi)環(huán)基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差設(shè)計了滑模控制器，削弱了轉(zhuǎn)矩的脈動，使得系統(tǒng)動態(tài)響應快，魯棒性強。該研究具有很好的應用前景。
1異步電動機數(shù)學模型
在dq坐標系下，選取定子電流與磁鏈作為狀態(tài)變量，則異步電動機的模型[15]可表示為
3控制器設(shè)計
3.1外環(huán)滑模速度調(diào)節(jié)器
基于滑模策略構(gòu)造比例積分型滑?？刂破饕赃_到轉(zhuǎn)速響應快、穩(wěn)態(tài)誤差小的目的，同時削弱傳統(tǒng)SMC中存在的抖振問題[1617]。定義轉(zhuǎn)速誤差為
5結(jié)束語
本文提出了帶負載轉(zhuǎn)矩觀測器的異步電動機DTC系統(tǒng)的滑?？刂品椒ǎ猸h(huán)采用比例積分滑?？刂破?，克服了PI調(diào)節(jié)器無法滿足系統(tǒng)高性能調(diào)速的問題，同時也減弱了傳統(tǒng)SMC中存在的抖振問題；內(nèi)環(huán)根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差，設(shè)計了滑?？刂破鞔鏈h(huán)比較器。仿真結(jié)果表明，本研究所提出的帶負載觀測器的異步電機滑模DTC系統(tǒng)，明顯降低了磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動，改善了系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。該研究具有優(yōu)越的理論意義和應用前景。
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[10]Ammar A， Bourek A， Benakcha A. Robust SVMDirect Torque Control of Induction Motor Based on Sliding Mode Controller and Sliding Mode Observer[J]. Frontiers in Energy， 2017： 114.
[11]王磊， 王京， 張勇軍. 基于滑模變結(jié)構(gòu)的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究[J]. 電力電子技術(shù)， 2010， 44（1）： 4445.
[12]賈洪平， 孫丹， 賀益康. 基于滑模變結(jié)構(gòu)的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 中國電機工程學報， 2006， 26（20）： 134138.
[13]Ammar A， Bourek A， Benakcha A. Nonlinear SVMDTC for Induction Motor Drive Using InputOutput Feedback Linearization and High Order Sliding Mode Control[J]. Isa Transactions， 2017， 67： 428442.
[14]OrlowskaKowalska T， Tarchala G， Dybkowski M. SlidingMode Direct Torque Control and SlidingMode Observer with a Magnetizing Reactance Estimator for the FieldWeakening of the Induction Motor Drive[J]. Mathematics & Computers in Simulation， 2014， 98（2）： 3145.
[15]張志鋒， 唐任遠， 朱建光， 等. 感應電機磁鏈和轉(zhuǎn)矩的非奇異終端滑?？刂芠J]. 電機與控制學報， 2010， 14（12）： 4751.
[16]李政， 胡廣大， 崔家瑞， 等. 永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的積分型滑模變結(jié)構(gòu)控制[J]. 中國電機工程學報， 2014， 34（3）： 431437.
[17]Le H T， Lee C Y， Sang R L. Dynamic Adaptive Backstepping and Saturated Proportional Integral Sliding Mode Control for Uncertain Nonlinear Systems[J]. International Journal of Precision Engineering & Manufacturing， 2010， 11（4）： 527537.
[18]韓利， 溫旭輝， 郭希錚. 電壓源逆變器輸出電壓重構(gòu)技術(shù)研究[J]. 電力電子技術(shù)， 2007， 41（11）： 9496.
[19]于海生， 趙克友， 郭雷， 等. 基于端口受控哈密頓方法的PMSM最大轉(zhuǎn)矩/電流控制[J]. 中國電機工程學報， 2006， 26（8）： 8287.
[20]楊渭濱， 呂帥帥. 基于負載轉(zhuǎn)矩觀測器的永磁同步電動機模糊滑?？刂芠J]. 微特電機， 2015， 43（12）： 6971.
