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        滑??刂品椒ㄔ陔姍C轉(zhuǎn)速控制中的應(yīng)用

        2014-09-02 01:28:35王偉光
        機電信息 2014年30期
        關(guān)鍵詞:模面同步電機二階

        王偉光

        (哈爾濱電氣動力裝備有限公司,黑龍江 哈爾濱 150040)

        滑??刂品椒ㄔ陔姍C轉(zhuǎn)速控制中的應(yīng)用

        王偉光

        (哈爾濱電氣動力裝備有限公司,黑龍江 哈爾濱 150040)

        滑??刂品椒▽儆诜蔷€性控制方法中的一種,現(xiàn)以永磁同步電機為對象,提出采用滑??刂品椒▽ζ溥M行轉(zhuǎn)速控制,并驗證控制效果。

        電機;轉(zhuǎn)速控制;滑??刂萍夹g(shù)

        1 永磁同步電機控制技術(shù)

        電機控制技術(shù)的發(fā)展是建立在電力電子器件微處理芯片技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)之上的。在當(dāng)前集成電路技術(shù)發(fā)展迅速的背景下,新一代電力電子集成器件能夠?qū)⒐β史糯笃鳌㈦姍C電流保護電路集成在一起,從而為開發(fā)精度控制能力更高、可靠性更強的電機控制系統(tǒng)提供了便利;而微處理芯片技術(shù)的進步則直接決定了先進的控制算法的實際應(yīng)用,在微處理技術(shù)較為落后的時候,高性能的控制算法只能進行理論研究,而缺乏實現(xiàn)的工具[1]。近年來,隨著微處理技術(shù)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了許多高性能的微處理器,運算能力大大增強,從而為精度更高、控制能力更強的控制算法的應(yīng)用提供了可能。

        對電機進行控制,說到底是控制電機在某一時刻的實際轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速一致,或者轉(zhuǎn)子的位置與期望的位置一致,因此,為了有效地控制電機的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)子的位置,必須獲取電機轉(zhuǎn)子的位置和速度信息,從而可以根據(jù)當(dāng)前電機轉(zhuǎn)子的位置或速度與期望值之間的差距進行控制。為了獲取電機轉(zhuǎn)子的位置或速度信息,需要采用諸如光電傳感器等元器件獲取電機轉(zhuǎn)子的位置或速度信息,在大多數(shù)電機控制系統(tǒng)中,常采用光電傳感器進行信息測量工作,光電傳感器具有抗干擾能力相對較強、精度高等優(yōu)點。然而,傳感器的引入增加了電機控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,因此,不少研究人員提出了采用無位置傳感器的控制技術(shù)[2-3],例如使用滑模觀測器或者采用人工智能領(lǐng)域新進展的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行辨識,獲取位置、速度信息。

        此外,當(dāng)前工程應(yīng)用領(lǐng)域中常采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制來實現(xiàn)對電機的高精度轉(zhuǎn)速動態(tài)過程控制。矢量控制是由SIEMENS提出的基于磁場定向的控制方法,該方法通過矢量平移變換將電機的交流電變換為2個互相垂直的分量,可以分別對2個電流進行控制,從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的高性能動態(tài)控制。目前,矢量控制方法在電機高性能動態(tài)控制中應(yīng)用范圍較為廣泛。而直接轉(zhuǎn)矩控制方法則直接計算磁鏈和轉(zhuǎn)矩,利用離散點PWM信號控制逆變器開關(guān),從而直接實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩控制。該方法應(yīng)用于電機控制系統(tǒng)中,能夠使系統(tǒng)更加簡化,但同時也有其不足之處,即控制信號有較大變化時,會引起磁鏈和電機轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大波動,不利于電機的穩(wěn)定運行[4]。

        除此之外,國內(nèi)外學(xué)者針對電機控制提出了其他大量的方法,例如應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛的比例—積分—微分控制(PID控制)。PID控制具有實現(xiàn)方式簡單、應(yīng)用范圍廣泛、參數(shù)易于調(diào)節(jié)等特點,在大多數(shù)控制領(lǐng)域都能發(fā)揮有效的控制效果。然而,電機本身是一個具有十分復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)的非線性系統(tǒng),因此單獨的PID控制方法并不能十分有效地實現(xiàn)電機高性能控制。為此,不少研究人員探索了將自適應(yīng)控制方式、模糊控制、人工智能控制方式引入電機控制中。本文將要介紹的滑模控制方法就是一種能夠有效實現(xiàn)對非線性系統(tǒng)的控制的方式。

        2 滑??刂萍夹g(shù)Equation Section (Next)

        滑??刂朴址Q變結(jié)構(gòu)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制,該方法首先由前蘇聯(lián)學(xué)者提出,后經(jīng)其他研究人員的不斷豐富、擴展,現(xiàn)已成為非線性控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的控制方法。在針對非線性控制對象進行滑模控制設(shè)計的時候,首先應(yīng)根據(jù)對象期望的動態(tài)特性設(shè)計滑模面,當(dāng)系統(tǒng)的運動狀態(tài)達到滑模面上之后,就能夠沿著滑模面運動到穩(wěn)定點,因此,設(shè)計好滑模面之后,如果能夠控制系統(tǒng)的狀態(tài)點達到滑模面,或者有限次穿過滑模面之后停留在滑模面上,就能夠使系統(tǒng)的狀態(tài)沿著滑模面達到平衡點。因此,采用滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)控制非線性對象包括2個步驟:首先設(shè)計系統(tǒng)切換函數(shù),即滑模面,處于該滑模面上的運動狀態(tài)都能夠達到系統(tǒng)的平衡點;其次,設(shè)計滑模控制律,使系統(tǒng)的狀態(tài)能夠由初始狀態(tài)運動到滑模面上,并沿著滑模面達到系統(tǒng)的平衡點?;?刂坡稍O(shè)計完成之后,系統(tǒng)就能沿著滑模面達到平衡點,因此,滑模面的設(shè)計好壞在很大程度上影響著系統(tǒng)的動態(tài)性能。常用的滑模面主要有線性和非線性之分,最常用的線性滑模面的形式如式(1)所示:

        S=Cx

        (1)

        式中,x為系統(tǒng)的運動狀態(tài);C為滑模系數(shù)。

        調(diào)整好滑模系數(shù)之后,就能夠使滑模面上的運動點沿著期望的動態(tài)性能運行到平衡點,常用的調(diào)整滑模系數(shù)的方法有李雅普諾夫方法和微分幾何方法等。由于普通線性滑模面的設(shè)計較為簡單,參數(shù)調(diào)整也較容易,因此其應(yīng)用范圍較為廣泛。但是該方法也有其局限性,在面對結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)時,其控制效果也相對有限。

        為了適應(yīng)更加復(fù)雜的非線性控制對象,國內(nèi)外研究人員研究了Terminal滑模、積分滑模等方法,以Terminal滑模為例,該方法雖然滑模面比線性滑模復(fù)雜,但是具有收斂速度更快、抗干擾能力更強、穩(wěn)定精度更高等優(yōu)良特點,式(2)給出了Terminal滑模面:

        (2)

        在式(2)中,要求參數(shù)p和q為奇數(shù),且p>q>0,當(dāng)系統(tǒng)通過滑??刂坡傻目刂频竭_滑模面之后,將在有限時間內(nèi)沿著滑模面達到平衡點,并且該有限時間為:

        (3)

        從式(3)可以看出,通過設(shè)計參數(shù)β、p和q,就可以實現(xiàn)對滑模面的設(shè)計以及達到時間的控制。

        此外,應(yīng)用較為廣泛的還有積分滑??刂品椒?,與Terminal滑模類似,積分滑模的滑模面如式(4)所示:

        (4)

        類似于線性控制方法中的PID控制,kp和kl分別為比例、積分系數(shù)。同樣,適當(dāng)調(diào)整這2個系數(shù)就可以有效地實現(xiàn)滑模面的設(shè)計,從而實現(xiàn)期望的動態(tài)性能。

        3 滑??刂圃陔姍C轉(zhuǎn)速控制中的應(yīng)用

        下面以永磁同步電機為例,采用積分滑模控制的方法設(shè)計滑??刂破?,實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的有效控制,使電機的速度能夠與期望的運轉(zhuǎn)速度保持一致。假設(shè)期望的電機運行速度為w0,且該期望函數(shù)具有連續(xù)的二階倒數(shù),電機的實際運行速度為w,則電機的轉(zhuǎn)速誤差量為:

        ew=w0-w

        (5)

        對式(5)求導(dǎo)并代入電機運動方程得:

        (6)

        設(shè)計如下的二階積分滑模面:

        (7)

        對于速度誤差跟蹤控制系統(tǒng),有:

        iq=ieq+isw

        (8)

        式(8)中的λ1、λ2、γ1和γ2各參數(shù)值均為正,采用Liyapunov定理即可證明該二階積分滑模能夠使系統(tǒng)收斂于穩(wěn)定狀態(tài)。對于本文的研究對象來說,將滑模面設(shè)計為二階積分滑模面,能夠通過調(diào)節(jié)參數(shù)k1、k2、λ1、λ2實現(xiàn)控制精度的調(diào)整,并且通過有效地調(diào)整參數(shù)γ1和γ2,改善系統(tǒng)的收斂速度。本文采用Simulink工具箱建立了電機控制系統(tǒng)模型[5],并設(shè)計控制參數(shù)k1=1、k2=14、λ1=50、λ2=1 200、γ1=1 500、γ2=3 000,仿真驗證表明,該二階滑模能夠有效地控制電機轉(zhuǎn)速。圖1為采用滑??刂品椒刂葡码姍C在階躍信號作用下轉(zhuǎn)速隨時間變化的曲線。

        圖1 二階滑??刂齐姍C轉(zhuǎn)速變化曲線

        由圖1可以看出,采用二階滑??刂品绞?,電機在階躍信號作用下,具有較快的響應(yīng)速度,并且控制效果較好,轉(zhuǎn)速誤差控制在較小的范圍內(nèi)(10-3數(shù)量級)。并且系統(tǒng)的控制信號抖震現(xiàn)象得到了有效的抑制,使電機不至于忽快忽慢,造成電機硬件損傷。

        4 結(jié)語

        本文首先闡述了電機轉(zhuǎn)速控制的常用方法,包括矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、PID控制等算法,并指出了其不足之處。然后簡要介紹了滑模控制方法,包括線性滑模面和以Terminal滑模面、積分滑模為代表的非線性滑模面的設(shè)計方法,并以積分滑模為例,設(shè)計了二階滑??刂破鳎捎梅抡骝炞C的方法,驗證了本文所提的滑模控制方法在電機轉(zhuǎn)速控制中的有效性。

        [1] 蔣繼云.永磁同步電機控制[J].科技視界,2012(17):182~183

        [2] 梁艷,李永東.無傳感器永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)概述[J].電氣傳動,2003(4):4~9

        [3] 尚喆,趙榮祥,竇汝振.基于自適應(yīng)滑模觀測器的永磁同步電機無位置傳感器控制研究[J].中國電機工程學(xué)報,2007(3):23~27

        [4] 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(xué)報,2006(20):134~138

        [5] 李三東,薛花,紀志成.基于Matlab永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真建模[J].江南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004(2):115~120

        2014-09-11

        王偉光(1981—),男,吉林公主嶺人,工程師,研究方向:電機電磁場分析及拖動控制。

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