楊本臣， 和敬祥， 曹 留

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

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模糊滑?？刂坪拓?fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)漠惒诫妱?dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

楊本臣， 和敬祥， 曹 留

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)(IM)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及抗干擾能力差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于模糊滑?？刂?FSMC)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)男滦椭苯愚D(zhuǎn)矩控制(DTC)，取代傳統(tǒng)PID速度調(diào)節(jié)器的是一種滑?？刂破?。為解決滑模控制器中負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問(wèn)題，用模糊邏輯控制器取代了傳統(tǒng)滑?？刂坡芍械牟贿B續(xù)部分,可以明顯降低異步電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。提出了一種負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器來(lái)估計(jì)未知的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器用來(lái)估計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，估計(jì)作為速度環(huán)的前饋補(bǔ)償。仿真結(jié)果表明：在低速負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)時(shí)，該設(shè)計(jì)具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和速度性能、更高魯棒性和更強(qiáng)的抗干擾能力。

異步電動(dòng)機(jī)； 直接轉(zhuǎn)矩控制； 模糊滑?？刂?； 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)

0 引 言

異步電動(dòng)機(jī)(IM)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低、效率高和可靠性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。然而，由于受未知參數(shù)變化與外部負(fù)載擾動(dòng)的影響，嚴(yán)重降低了IM的控制性能。直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)[1,2]是使用最廣泛的控制策略之一，具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和很強(qiáng)的魯棒性。但在IM穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，DTC具有明顯的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)。因此，許多研究學(xué)者們做了大量工作以減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[3～8]。文獻(xiàn)[4]提出了基于模糊邏輯控制(FLC)的IM的位置控制，具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是存在很難消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和控制精度不高的缺陷。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)[5]具有計(jì)算速度快和自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)能力。

然而，復(fù)雜的算法使其應(yīng)用起來(lái)很有局限性?；？刂?SMC)[6]算法簡(jiǎn)單、對(duì)系統(tǒng)不確定性不敏感，但抖振現(xiàn)象[7]限制了其應(yīng)用。另一方面，在文獻(xiàn)[8]中，一種負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器被應(yīng)用于估計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器可以提高IM的抗干擾能力。

本文將模糊滑模控制器(FSMC)用于減少IM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),基于滑?？刂频呢?fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器被作為速度環(huán)的前饋補(bǔ)償。通過(guò)在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下進(jìn)行了模擬，證實(shí)了控制策略的快速性與有效性。

1 異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上，三相鼠籠式IM在α-β靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型如下

(1)

IM的轉(zhuǎn)子速度為

(2)

式中 τ為電磁轉(zhuǎn)矩。

IM的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

τ=npLm(isβirα-isαirβ)=np(λsαisβ-λsβisα)

(3)

式中 irα,irβ分別為α軸和β軸的轉(zhuǎn)子電流。

2 模糊滑?？刂坪拓?fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)闹苯愚D(zhuǎn)矩控制

傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)不再重復(fù)介紹，請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[11]。

圖1 基于模糊邏輯控制與負(fù)載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)闹苯愚D(zhuǎn)矩控制原理

3 模糊滑?？刂坪拓?fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器設(shè)計(jì)

3.1 模糊滑模控制器設(shè)計(jì)

速度誤差定義為

e=ω*-ω

(4)

選擇如下滑模面

(5)

設(shè)計(jì)滑?？刂破?/p>

(6)

式中 符號(hào)sgn(s)定義為

(7)

k越小，抖動(dòng)越小。然而，控制系統(tǒng)的軌跡到達(dá)滑模面需要經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間，因此控制器的參數(shù)設(shè)置是非常重要的。為了獲得較小抖振和快速到達(dá)滑模面，模糊邏輯控制器的設(shè)計(jì)是本文的重大意義。

模糊邏輯控制器的輸入變量為速度錯(cuò)誤e，輸出變量為k(Δk)。選擇模糊集e和Δk作為{負(fù)大，負(fù)，零，正，正大}。e和Δk的隸屬度和 {-1，1}。采用的模糊規(guī)則如表1所示。

表1 模糊規(guī)則

模糊邏輯控制器的輸出為

k～=k0+Δk,k～>0

(8)

式中k0為模糊邏輯控制器的初始值。

模糊滑?？刂破鳛?/p>

(9)

定義李雅普諾夫函數(shù)為

(10)

從式(2)、式(5)、式(6)、式(10)可以得到

=-k～|s|≤0

(11)

3.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器設(shè)計(jì)

(12)

從式(1)可以得出

(13)

負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器可以設(shè)計(jì)為

(14)

式中 k1,k2為控制器設(shè)計(jì)的參數(shù)。

由式(13)，式(14)可以得到

(15)

當(dāng)k1>0，k2>0，根據(jù)勞斯判據(jù)，可知觀測(cè)器是漸漸穩(wěn)定的?？梢缘贸銮梆佈a(bǔ)償后的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

4 仿真結(jié)果分析

仿真系統(tǒng)的參數(shù)如下：異步電動(dòng)機(jī)的額定功率為1.5kW；額定電壓為220V；額定電流為3.4A；參考轉(zhuǎn)速為1 000r/min;極對(duì)數(shù)為np=2;定子電阻Rs=1.125Ω；定子電感和轉(zhuǎn)子電感Ls=Lr=0.009H；Rr=2.084Ω；定轉(zhuǎn)子互電感Lm=0.403 5H;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.02kg·m2。仿真結(jié)果如圖2～圖6所示。

圖2 基于模糊滑模和負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的直接轉(zhuǎn)矩控制速度響應(yīng)

圖3 圖2中速度響應(yīng)縮放圖

圖4 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)

圖5 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制下的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

圖6 基于模糊滑模控制器的直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

圖2顯示了基于模糊滑?？刂婆c負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的直接轉(zhuǎn)矩控制的速度響應(yīng)，即在啟動(dòng)階段，t=0.5 s從1 000 r/min;升至1 100 r/min;的速度階躍變化。圖3是基于模糊滑?？刂婆c負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的直接轉(zhuǎn)矩控制與無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器在t=0.25 s的縮放視圖。從圖2、圖3可以看出:基于模糊滑?？刂婆c負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制具有更好的快速性和更強(qiáng)的抗干擾能力。

5 結(jié) 論

基于IM直接轉(zhuǎn)矩控制方案，設(shè)計(jì)了模糊滑模控制器，以降低IM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和提高抗干擾能力。另外，負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器用于估計(jì)外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩的前饋補(bǔ)償。仿真結(jié)果表明:基于模糊滑?？刂婆c負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的直接轉(zhuǎn)矩控制方案具有非常良好的快速性和抗干擾能力，而且明顯地減少了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

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Induction motor DTC based on fuzzy sliding mode control with load torque compensation

YANG Ben-chen, HE Jing-xiang， CAO Liu

(Faculty of Electrical & Control Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China)

Aiming at problem of torque ripple and bad anti-interference capability of induction motor(IM),a novel direct torque control(DTC)based on fuzzy sliding mode control(FSMC)with load torque compensation is designed.The conventional PID speed regulator is replaced by a sliding mode controller.To solve the problem of torque ripple of load in sliding mode controller,a fuzzy logic controller replaces the discontinuous part of the conventional sliding mode control law.It can obviously reduce the torque ripple of IM at low speed.In addition,a load torque observer is proposed to estimate the unknown load torque.The load torque observer is used to estimate load torque disturbances and the estimation is used as the feed-forward compensation in the speed loop.The simulation results show that the design has better dynamic response and speed performance,high robustness and strong anti-interference to load torque disturbance at low speed.

induction motor(IM); direct torque control(DTC); fuzzy sliding mode control(FSMC); load torque observer

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0103—03

2016—06—08

TP 212

A

1000—9787(2017)07—0103—03

楊本臣(1975-)，男，博士，副教授，從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、異步電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)工作。