李少龍，唐新雯，李文龍，莊香豫，林 峰，陳明月，趙 琴

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

滑?？刂频漠惒诫姍C直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

李少龍，唐新雯，李文龍，莊香豫，林 峰，陳明月，趙 琴

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

針對異步電機傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)存在轉(zhuǎn)矩脈動大、開關(guān)頻率不固定以及定子磁鏈觀測器準確度對控制性能有較大的影響等問題。文中設(shè)計了一種新型的滑模控制器與觀測器，并與空間矢量控制相結(jié)合，使得系統(tǒng)在交流調(diào)速過程中轉(zhuǎn)矩和磁鏈能夠快速且準確地達到期望值，并且基于這種控制器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)逆變器空間矢量調(diào)制，達到逆變器開關(guān)的恒頻輸出。通過實驗仿真驗證了所設(shè)計的控制器和觀測器能有效地減小穩(wěn)態(tài)誤差，且輸出較穩(wěn)定，能使系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和魯棒性。

異步電機；直接轉(zhuǎn)矩控制；空間矢量控制；滑?？刂?；觀測器

近年來交流電動機的調(diào)速技術(shù)和調(diào)速性能得到了很大的發(fā)展和提高，從最初的恒壓頻比U/f控制和轉(zhuǎn)差頻率控制發(fā)展到了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，其中矢量控制技術(shù)已經(jīng)趨于成熟并得到了實際的應(yīng)用，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)正成為各國研究的重點[1-4]。直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制之后發(fā)展起來的一種新型的高性能的交流變頻技術(shù)，它能直接對轉(zhuǎn)矩進行控制[5-6]。但是傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動較大。本文提出了一種基于無速度傳感器技術(shù)，以實際的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種新型的滑模控制器，使得整個異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在仿真的過程中輸出的轉(zhuǎn)矩波動大幅減小，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)以及穩(wěn)態(tài)性能。

1 異步電機的數(shù)學模型

異步電機是一個高階次、非線性和強耦合的多變量系統(tǒng)，因此對異步電機建立數(shù)學模型時，需要考慮多方面的因素[7]，在定子兩相靜止坐標系下的數(shù)學模型可以推導(dǎo)得到以定子電流和定子磁鏈為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程

pX=AX+Bus

(1)

2 控制算法的設(shè)計

2.1 速度控制器的設(shè)計

為使異步電機能夠快速響應(yīng)以及轉(zhuǎn)速達到期望的速度，致使轉(zhuǎn)速誤差盡可能小，可以采用滑模控制設(shè)計整個電機控制系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)器。根據(jù)異步電機的運動方程選擇滑模面的切換函數(shù)為

S1=n-n*

(2)

(3)

通過利用Lyapunov函數(shù)來證明穩(wěn)定性。選擇李雅普諾夫能量函數(shù)

(4)

由此可得滑模面存在需滿足的條件是K>0且ε>TL[7-11]。

2.2 磁鏈與轉(zhuǎn)矩的控制器的設(shè)計

異步電機的電磁磁鏈的幅值方程為

(5)

滑模面切換函數(shù)為

(6)

pS=C+DU

(7)

其中

為保證系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)，應(yīng)當合理選擇滑?？刂坡伞Ｗ罱K可得

(8)

考慮到異步電機定子、轉(zhuǎn)子電阻變化與外界溫度等不確定因素有關(guān)，當系統(tǒng)狀態(tài)運動到滑模面時，只要使得S2=0,S3=0就能夠達到實際轉(zhuǎn)矩和磁鏈能夠跟蹤給定的轉(zhuǎn)矩和磁鏈值的目的[12]。

2.3 滑模觀測器的設(shè)計

在上述建立的異步電機的數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，為了避免速度傳感器所帶來的不便，需要將無速度傳感器技術(shù)引用到整個異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，下面是給出的基于滑?？刂频挠^測器模型。

(9)

為進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出了改進的滑模觀測器，把積分加進去，設(shè)計了一個積分滑模觀測器，當滑模觀測器中加入積分項后，選擇S函數(shù)如下

(10)

(11)

由李雅普諾夫函數(shù)穩(wěn)定性穩(wěn)定性條件可得，轉(zhuǎn)速收斂需滿足條件[13-15]

(12)

3 系統(tǒng)仿真與分析

將上述控制算法運用到整個異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，搭建的整個直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型如圖1所示。

圖1 異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

根據(jù)圖1所示的直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)框圖，可以在Matlab/Simulink中用相關(guān)模塊搭建仿真模型，仿真時所用的異步電機參數(shù)為：電機額定功率為1 500 W，額定電壓為400 V，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，頻率為50 Hz，極對數(shù)為2，定子電阻為0.214 7 Ω，轉(zhuǎn)子電阻為0.220 5 Ω，定子電感為0.99 H，轉(zhuǎn)子電感為0.99 H，互感為0.064 H，轉(zhuǎn)動慣量為0.102 kg·m2，給定磁鏈大小為0.8 Wb，給定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min。在t=0 s時電機開始空載起動，仿真時間為1 s。電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、定子電流的波形如圖2所示。

圖2 仿真波形圖

在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩磁鏈控制器采用磁鏈轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，在相同的條件下，得到的電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流的波形如圖3所示。

圖3 仿真波形圖

由圖2和圖3可知，改進的直接轉(zhuǎn)矩控轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動明顯減小了，控制系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，控制器和滑模觀測器彼此結(jié)合不僅能夠使電機轉(zhuǎn)速上升較快且平穩(wěn)，也能夠無超調(diào)的達到給定速度。

當給定轉(zhuǎn)速為150 r/min，0.4 s時增加負載轉(zhuǎn)矩40 N·m，仿真時間為1 s，得到的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、定子電流波形圖如圖4所示。從圖中可以看出，當電機突然帶載啟動時，系統(tǒng)具有良好的抗干擾性，系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能。

圖4 仿真波形圖

給定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，0.4 s時增加負載轉(zhuǎn)矩40 N·m，仿真時間為1 s，得到的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、定子電流波形如圖5所示。同樣可以看出，電機以高速運行時，突然加載，受擾動影響也較小。

圖5 仿真波形圖

由仿真結(jié)果可以看出：電機實際的速度能迅速地變化且無超調(diào)，在給定轉(zhuǎn)速恒定的情況下，能快速跟蹤，說明直接轉(zhuǎn)矩控制確實具有優(yōu)良的動、靜態(tài)性能。定子電流諧波影響小，在靜、動態(tài)過程中定子磁鏈運動軌跡保持近似圓形，有效地減小了電機參數(shù)變化時磁鏈的脈動。無論是電機處于低速或高速的情況下，突然加載，電機的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)較快，脈動波動較小，所以能夠很好地改善整個直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

4 結(jié)束語

本文提出了基于異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的滑?？刂破髋c觀測器，主要是將無速度傳感器技術(shù)應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中。相較于傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，設(shè)計的滑模觀測器對速度辨識快速且準確，對定子磁鏈觀測精度高，系統(tǒng)既能夠保證高速時穩(wěn)定運行以及低速時能夠很好的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，大幅減小了轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，同時也在一定程度上提高了系統(tǒng)的魯棒性。

[1] 張華強,王新生,魏鵬飛,等.基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制算法研究[J].電機與控制學報,2012(6):13-18.

[2] 邱鑫,黃文新,楊建飛,等.一種基于轉(zhuǎn)矩角的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電工技術(shù)學報,2013(3):56-62.

[3] DaniellBullo,Antonella Ferrara,Matteo Rubagotti.Sliding mode observers for sensorless control of current-fed induction motors[C].MA,USA:American Control Conference,2011.

[4] Yu Zhiyan,Zheng Yong.Speed sensorless direct torque control ofasynchronous motor with stator resistance identification [J]. Electric Drive,2011,31(5):10-14.

[5] 李政學,張永昌,李正熙,等.基于簡單占空比調(diào)節(jié)的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電工技術(shù)學報,2015(1):72-80.

[6] 林磊,鄒云屏,鐘和清,等.基于固定合成矢量的三電平異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J].中國電機工程學報,2008,27(4):120-125.

[7] Wei Jianhong,Li Xiaoqian,Zheng Yan. Research on the direct torque control for asynchronous motor based on the sliding mode variable structure control[C].Hefei:Chinese Control and Decision Conference,2012.

[8] 程啟明,王映斐,薛陽,等.采用定子電阻辨識和無速度傳感器的異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制模糊系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù),2012(3):704-711.

[9] Shi Hongyu,Feng Yong.High-order terminal sliding mode FluxObserver for induction motors[J].Acta Automatica Sinica, 2012,38(2):288-294.

[10] Wang Lei,Wang Jing,Zhang Yongjun.Research on direct torque control ofinduction motor based on sliding mode variable structure[J].Powerelectronic Technology,2010,4(1):45-51.

[11] Zhou Yangzhong,Hu Yuwen.Direct torque control of AC motor[M].Beijing:Machinery Industry Press,2010.

[12] 周雅薇,聶建華.電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)效率優(yōu)化控制[J].電子科技,2013,26(5):37-40.

[13] 曾峰林,陳家琪.基于模糊滑?？刂频能囕v穩(wěn)定性研究[J].電子科技,2015,28(7):165-168.

[14] 胡海旭,羅文廣.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿射非線性系統(tǒng)滑模自適應(yīng)控制[J].電子科技,2011,24(4):12-14.

[15] 辛靜,趙高暉,李天箭,等.倒立擺系統(tǒng)控制研究[J].電子科技,2016,29(12):159-161.

Asynchronous Motor Direct Torque Control System Based on Sliding Mode

LI Shaolong,TANG Xinwen,LI Wenlong,ZHUANG Xiangyu,LIN Feng,CHEN Mingyue,ZHAO Qin

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

In terms of the direct torque control system for asynchronous motor, it has larger torque ripple, unfixed switch frequency and the accuracy of the stator flux observer has a large influence on control performance. In this paper, a new kind of sliding mode controller and observer is designed in the direct torque control system which combined with space vector control. The controller can make the torque and flux reach the expected value quickly and accurately, and the direct torque control system can realize the inverter space vector modulation, then achieved the constant frequency of inverter switch output.Finally, by the simulation results and analysis, the designed controller and observer can effectively reduce the static error, and the output is stable, then it can also make the system have better stability and robustness.

asynchronous motor; direct torque control system; space vector control; sliding mode controller; observer

2017- 03- 27

國家自然科學基金(61205076) ;電動叉車控制器的研發(fā)(3A16302075)

李少龍(1972-)，男，講師。研究方向：電力電子非線性及其控制和電機及其控制。

TN 787

A

1007-7820(2018)02-077-04