中國船舶第七一五研究所 張?zhí)炜?/p>

PI控制器是目前異步電機矢量控制系統(tǒng)中較通用的控制器。但異步電機的參數(shù)極易受到環(huán)境變化的影響，如果加入電機在線參數(shù)辨識又會增加系統(tǒng)的復雜性，不利于矢量控制變頻器的實用化。本文采用積分型滑模變結(jié)構(gòu)面和自適應控制律對轉(zhuǎn)速控制器改進來減小轉(zhuǎn)速的超調(diào)，提高系統(tǒng)的抗擾性。

1 自適應積分型滑模面變結(jié)構(gòu)控制器的設計

滑模變結(jié)構(gòu)控制(SMC)可以提高系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性。系統(tǒng)但控制器若選用SMC會引入開關(guān)信號，易使系統(tǒng)不穩(wěn)定且引入高頻噪聲。為此，本文在滑模面設計時選用積分型滑模面，可以很大程度上抑制噪聲。此外，矢量控制中控制器設計依賴電機參數(shù)精度，尤其是電機的轉(zhuǎn)動慣量J的誤差直接影響系統(tǒng)性能。然而異步電機參數(shù)J的辨識實驗要在電機轉(zhuǎn)軸上安裝定制的齒輪，操作復雜、辨識精度不高且難以測量其持續(xù)變化的量。因此，本文在設計轉(zhuǎn)速控制器時引入自適應滑?？刂坡桑瑢作為系統(tǒng)未知量進行估算，仿真驗證系統(tǒng)得到很好的控制性能。

1.1 積分型滑模面變結(jié)構(gòu)控制器設計

轉(zhuǎn)速控制器的狀態(tài)變量為：

式中，ω*為給定轉(zhuǎn)速，ω為實際轉(zhuǎn)速。電機的運動方程為：

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩、TL為負載轉(zhuǎn)矩、J為轉(zhuǎn)動慣量。

本文設計系統(tǒng)的積分型滑模面s為：

選取上述滑模面積分的初始值為：

指數(shù)趨近律的形式如下：

式中，-ks為指數(shù)趨近項。采用飽和函數(shù)sat(s)替換式(5)中的符號函數(shù)，進一步削弱系統(tǒng)的抖振。選Te作為轉(zhuǎn)速SMC的輸出：

1.2 自適應滑模控制律的設計與分析

定義J的上下界為0≤Jmin≤J≤Jmax，取θ為J的估計值。令J1=θ-J，定義李雅普諾夫函數(shù)為：

經(jīng)過整理則得到最終控制律：

選取自適應律如下：

V≥ 0且≤0，可知t→∞時，V有界，θ有界。但根據(jù)拉薩爾不變形定理1只能證明s→0，無法得到J1→0。為避免θ≤ 0或θ過大造成Te也過大，本文設計自適應律來確保θ∈[Jmin，Jmax]。

本文控制器參數(shù)如表1所示。

表1 控制器參數(shù)

2 基于改進的滑模變結(jié)構(gòu)矢量控制系統(tǒng)仿真研究

異步電機的參數(shù)為：P=370W，f=50Hz，U=380V，I=1.05A，ω=1400r/min，Rs=14.96Ω，Rr=14.86Ω，Lls=96.72mH，Llr=109.49mH，Lm=829.49mH，J=0.004kg.m2。

如圖1、2所示，給定轉(zhuǎn)速為80rad/s空載啟動，在1.5s時加入1N·m負載。當電機運行過程中突加負載，采用積分型滑模面SMC轉(zhuǎn)速波動比PI控制器下小，且Te跟蹤負載轉(zhuǎn)矩更快。因此，積分型滑模面變結(jié)構(gòu)控制器提高異步電機系統(tǒng)的啟動性能與抗干擾性能。

圖1 突加負載時轉(zhuǎn)速

圖2 突加負載時轉(zhuǎn)矩

圖4 自適應SMC轉(zhuǎn)矩波形

將J的給定值在5s時間內(nèi)從1-5倍按指數(shù)增長曲線連續(xù)變化，如圖3、4所示，利用自適應積分型SMC的速度控制器，仍能保持系統(tǒng)的ω、Te可以很好的跟隨給定。綜上，本文所述方法在轉(zhuǎn)速控制器上的應用提高了異步電動機矢量控制系統(tǒng)的魯棒性與抗干擾性。

圖3 自適應SMC轉(zhuǎn)速波形