郭春平,王 奔,趙岳恒,李 泰
(西南交通大學 電氣工程學院,成都 610031)
實現(xiàn)異步電機高性能控制的關(guān)鍵是對其時變參數(shù)的準確識別和獲得轉(zhuǎn)速、磁鏈兩個子系統(tǒng)間的完全解耦[1]。自20世紀提出的基于磁場定向矢量控制技術(shù)以來,出現(xiàn)了很多有效的解耦控制方法[2-4],進一步提高了異步電機系統(tǒng)的調(diào)速性能。
近20年來,基于反饋線性化思想的非線性控制理論在電機調(diào)速系統(tǒng)中得到了大量的研究,通過坐標變換和狀態(tài)反饋,可以對異步電機磁鏈和轉(zhuǎn)速實現(xiàn)完全線性化解耦控制。參考文獻[5]和[6]討論了應用微分幾何理論,通過多輸入、多輸出非線性狀態(tài)反饋對電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈進行線性化解耦控制,但是這一方法實現(xiàn)的異步電機調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能不是很好,不容易按照預先所期望的性能指標去任意設(shè)計。為解決這一問題,筆者提出將線性系統(tǒng)狀態(tài)反饋極點配置理論運用于已反饋線性化的異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制器和磁鏈控制器設(shè)計中,以提高整個系統(tǒng)的動靜態(tài)性能,滿足預先所期望的要求。仿真研究表明,這種處理方案達到了期望效果,證實了該方案在理論上的正確性,并具有可行性。
在兩相靜止坐標系(即α-β坐標系)下,以轉(zhuǎn)子電角速度、轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流作為狀態(tài)變量的異步電機五階狀態(tài)方程為:
輸出方程為:
把方程(1)寫成仿射非線性方程形式,則為:
其中:
根據(jù)非線性系統(tǒng)微分幾何線性化方法,可得原系統(tǒng)線性化的坐標變換 Z =Φ(X )為:
在坐標變換(3)關(guān)系下,系統(tǒng)(2)的狀態(tài)方程可轉(zhuǎn)化成如下形式:
由式(4)中第2、第4兩個方程可得
式(5)中,v為異步電機反饋線性化后的“虛擬輸入量”,引入狀態(tài)反饋就可以求出原系統(tǒng)(2)的實際控制律u。其中:
異步電機非線性狀態(tài)反饋線性化后的整個系統(tǒng)方程為:
要使上述線性化方法有效,還必須對系統(tǒng)(6)中最后一個零動態(tài)方程:
驗證其穩(wěn)定性:只有該零動態(tài)方程是穩(wěn)定的,才可以保證整個系統(tǒng)(6)是穩(wěn)定的,亦即才能夠說明上述線性化方法是有效的。
由于異步電機調(diào)速系統(tǒng)就是要控制這兩個輸出,使電機轉(zhuǎn)速和磁鏈幅值跟蹤給定值,即期望:
在迫使系統(tǒng)(6)達到平衡點,即滿足式(8)的情況下,系統(tǒng)(6)中的z1、z2、z3和z4均為系統(tǒng)在平衡狀態(tài)工作點時的值,這樣式(7)可得:
[5]中對該零動態(tài)方程穩(wěn)定性對該問題有較詳細的定性分析,也驗證了上述線性化方法是有效的。在分析零動態(tài)穩(wěn)定性問題時,當零動態(tài)方程比較復雜,不能夠通過常規(guī)數(shù)學方法來定量分析時,可以通過數(shù)值分析的方法來進行定量分析驗證。對方程(9)的穩(wěn)定性問題,運用數(shù)值分析的方法來進行定量分析時,容易驗證該方程也是穩(wěn)定的,詳細的分析過程在此不作具體的展開論述。
下面運用輸入變換-極點配置理論[9,10],為線性化后的系統(tǒng)(6)設(shè)計其轉(zhuǎn)速控制器和轉(zhuǎn)子磁鏈控制器。由于反饋線性化后的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)具有相同的結(jié)構(gòu),為了簡化分析設(shè)計過程,這里僅對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)控制器進行設(shè)計,轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)控制器設(shè)計過程與其完全相同。
為了敘述上的簡化,將轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)從反饋線性化后的系統(tǒng)(6)中抽取出來,寫成狀態(tài)方程的形式,可得
其中,
假定對轉(zhuǎn)子子系統(tǒng)(10)的動靜態(tài)性能指標有如下要求:輸出超調(diào)量σ≤5%;峰值時間 tp≤ 0 .1s;靜態(tài)位置誤差 ep=0。根據(jù)二階系統(tǒng)性能指標時域計算公式,可得
系統(tǒng)要求靜態(tài)位置誤差 ep= 0 ,于是有
由此可得 L = 2 499.2。綜合式(11)~(13),有
異步電機整個調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)控制框圖,如圖1所示。
為了驗證異步電機狀態(tài)反饋線性化與狀態(tài)反饋極點配置控制方案的正確性,在一臺籠型異步電機上進行了仿真。電機參數(shù):額定功率 PN= 3 5kW ,額定電壓 UN= 3 80V,額定頻率 fN= 5 0Hz ,額定轉(zhuǎn)矩TL= 200N? m , Rs= 0 .4Ω , Rr= 0 .5Ω , Ls= 0 .09H ,Lr=0.09H,Lm=0.08H,np= 2 , J = 0 .09kg? m2。
圖1 異步電機狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)框圖
由于本異步電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案中用到異步電機的轉(zhuǎn)子磁鏈,所以在對上述控制方案進行仿真驗證時,轉(zhuǎn)子磁鏈可以通過式(14)進行觀測求解[4]。
圖2 轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)解耦仿真驗證
從仿真結(jié)果可以看到,當給定磁鏈幅值受到干擾時,電機轉(zhuǎn)速沒有發(fā)生變化,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和磁鏈的完全解耦控制,而基于磁場定向的矢量控制系統(tǒng)很難實現(xiàn)這一點。圖3給出了整個系統(tǒng)在給定輸入、不存在干擾情況下系統(tǒng)仿真結(jié)果。
可見,通過對反饋線性化后的系統(tǒng),應用狀態(tài)反饋極點配置方法來進行求解,整個系統(tǒng)具有很好的動靜態(tài)性能,到達了期望結(jié)果。
以上仿真結(jié)果說明,狀態(tài)反饋線性化和狀態(tài)反饋極點配置理論,在異步電機調(diào)速系統(tǒng)中的應用是正確的,具有可行性。
仿真研究驗證了,應用微分幾何和線性系統(tǒng)極點配置理論可以將強耦合非線性的異步電機系統(tǒng)實現(xiàn)輸入、輸出線性化解耦控制,所設(shè)計的磁鏈控制器和轉(zhuǎn)速控制器能夠很好地保證系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能,達到了預先設(shè)計時的期望目標。本控制方案思路清晰,結(jié)構(gòu)簡單,具有較好的理論研究價值與工程應用前景。
圖3 轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)動靜態(tài)性能仿真驗證
[參 考 文 獻]
[1]孫東升. 基于線性化反饋的異步電動機自適應解耦控制[J]. 電機與控制應用, 2006, 12(3): 7-11.
[2]Peter Vas. Sensorless vector and direct torque control[M]. New York: Oxford University Press,1998.
[3]Cristian Lascu, Ion-Boldea, Frede-Blaabjerg.Very-low-speed variable structure control of sensorless induciton machine drives without signal injection[J]. IEEE Transation on Industry Application, 2005,42(2):591-598.
[4]郭春平, 王奔, 李泰, 等. 一種改進型異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究[J]. 電氣傳動, 2008, 38(7):17-21.
[5]張春朋, 林飛, 宋文超, 等. 基于直接反饋線性化的異步電動機非線性控制[J]. 中國電機工程學報,2003, 23(2): 99-107.
[6]孟昭軍, 孫昌志, 安躍軍, 等. 狀態(tài)反饋精確線性化永磁同步電動機轉(zhuǎn)速控制[J]. 電機與控制學報,2007, 11(1): 21-28.
[7]盧強, 孫元章. 電力系統(tǒng)非線性控制[M]. 科學出版社, 1993.
[8]AIBERTO. Nonlinear Control System (3thedition)[M]. Springer Verlag Limited, 1995.
[9]鄭大鐘. 線性系統(tǒng)理論(第二版)[M]. 北京: 清華大學出版社, 2002.
[10]長管. 現(xiàn)代控制理論[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 1997.