直接轉矩變結構控制的無速度傳感器交流感應電機系統

肖海峰，賀昱耀，李 凱

(1．西北工業大學，陜西西安710072;2．西安航空學院，陜西西安710000)

0引 言

高精度、無速度傳感器交流感應電機控制技術是現代交流調速系統的發展方向，各國學者對此也做了大量的研究工作并取得很大的成就［1-6］。但其依然存在許多問題，如需要設計更高控制精度的控制器;控制策略的魯棒性難以滿足模型非線性和外界擾動對系統穩定性的要求;狀態觀測誤差受電機參數變化影響較大等。目前，應用廣泛的直接轉矩控制技術存在轉矩、磁鏈及電流脈動大的缺點。因此，如何提高感應電機寬調速范圍下的精確、魯棒控制仍需要做大量的研究工作。

滑模變結構控制是一種針對非線性系統的高頻、高效開關控制策略，其控制過程不依賴于精確的系統參數，且具有良好的魯棒性特點，已被應用到調速領域中［1-4］，但應用該策略的控制器仍然存在抖振問題。類似于滑模變結構控制，直接轉矩控制也具有良好的動態響應能力，同樣也存在轉矩脈動缺陷，且開關頻率不恒定。文獻［5］提出了直接轉矩與空間矢量調制相結合的策略使開關頻率保持恒定，有效降低了轉矩脈動，但系統魯棒性能難以滿足高精度控制要求。狀態觀測器是無速度傳感器交流感應電機控制策略的重要組成部分，其魯棒性和觀測誤差直接影響電機的控制性能。文獻［7］針對感應電機提出全階自適應磁鏈、定子電阻觀測器，但其運算相對復雜，觀測誤差較大。文獻［8］提出了速度自適應滑模觀測器，該觀測器不需要確切的電機參數，因此具有良好的魯棒性能，但觀測器模型中含有轉子速度分量，觀測誤差較大。

針對上述問題，本文提出直接轉矩控制與滑模變結構控制相結合的方式，通過設置適當的控制增益，可以實現線性控制與滑模開關控制的平衡關系，以滿足調速系統的暫態及穩態控制過程，使系統保留了傳統直接轉矩的動態響應能力;同時，設計不含轉子速度分量的滑模觀測器，用于磁鏈及轉矩估計。仿真結果驗證了該控制策略的正確性。

1交流感應電機變結構-直接轉矩控制

1．1感應電機模型及電壓矢量解耦

在感應電機定子磁鏈參考坐標系下，電壓平衡方程:

式中:us、is、ψs、Rs、ωψs分別為定子電壓、定子電流、定子磁鏈矢量、定子電阻和定子磁鏈角速度。

由電壓平衡方程及轉矩方程得:

可知轉矩控制實現了完全解耦，即定子q軸電壓分量決定轉矩大小。

由此可得d軸電壓分量:

定子磁鏈矢量的大小和方向隨著d軸電壓矢量的變化而變化。因此，通過選擇正確的電壓矢量序列可使定子磁鏈矢量沿正確的預定軌跡運行，同時實現轉矩的控制。

1．2滑模變結構直接轉矩控制器

基于無速度反饋的滑模變結構直接轉矩控制(VSC-DTC)結構框圖，如圖1所示。系統的控制環節主要由定子磁鏈定向和定子磁鏈控制組成，控制量包括電磁轉矩Te和定子磁鏈ψs，而速度環PI調節控制器的輸出作為參考轉矩，速度給定值決定參考磁鏈的大小。

圖1 滑模變結構直接轉矩控制策略

結合空間矢量調制技術，在一個控制周期內，調節器的輸出決定適當的電壓矢量以及矢量作用的時間，并由此生成的開關表控制逆變器的輸出電壓。磁鏈、轉矩控制器包括滑模控制和線性控制兩部分，該控制器不僅具有線性控制的平滑特性，而且利用了滑?？刂启敯粜詮姷奶攸c，減小控制器對模型參數的依賴以及外部擾動對控制器的干擾。

因此，在定子磁鏈參考坐標系下，參考電壓:

式中:KP_ψ、Kl_ψ、KP_T、Kl_T分別為磁鏈、轉矩 PI 調節器增益;Kvsc_ψ、Kvsc_T為滑?？刂圃鲆?。

在電機調速的過渡過程，設線性變結構控制器滿足:

此時，控制器的輸出主要由線性控制(PI)部分決定。反之，在電機運行的穩態過程，磁鏈、轉矩誤差較小，該控制器的輸出由滑模開關控制決定。通過設置適當的增益，可以實現線性控制與滑模開關控制的平衡關系，以滿足調速系統的快速、精確控制。通常Kvsc_ψ、Kvsc_T的取值盡可能大，以提高系統的抗擾動能力。

為了確保系統具有快速的動態響應和魯棒性，令磁鏈ψs為常量，設系統實現精確的狀態估計，則由式(2)、式(5)、式(6)可得轉矩、磁鏈方程:

2定、轉子磁鏈滑模觀測器設計

在時變感應電機模型中，通常采用自適應或滑模全階觀測器［6-7］，這些觀測器可以在某一坐標系下實現狀態變量的估計，但至少存在一個與電機轉子速度相關的模型方程，即狀態變量的觀測精度依賴于轉子速度估計誤差。如采用數字技術實現觀測器，轉子速度估計將會滯后于狀態觀測一個控制周期，而速度估計值易受到誤差累積、噪聲和延遲等因素的影響，當帶有較大誤差的速度估計值反饋到磁鏈觀測器，將使磁鏈、速度估計值進一步惡化，系統性能因此變得更差。

根據上述分析，在某一坐標系下分別取定子磁鏈、轉子磁鏈作為狀態變量(ψds、ψqs、ψdr、ψqr)，定子電流作為輸出(ids、iqs)，該坐標系的角速度為ωe，其電機模型的狀態方程如下:

式中:k1、k2、k3、k4分別為觀測器增益。

定子電流估計方程:

由此可知，同時在兩個不同的坐標系下設計的磁鏈觀測器徹底消除了與電機轉子速度的聯系，因此觀測器的精度不受轉子速度估計誤差的影響。

為了消除定子阻值變化對觀測器的影響，采用式(16)對定子電阻進行在線辨識以減小磁鏈觀測誤差。

式中，增益γ取值偏大將影響電阻辨識響應速度，但可有效抑制觀測器振蕩，由于阻值變化較慢，因此取增益γ≈0．8較為適宜。

3仿真及實驗結果分析

3．1系統仿真分析

為了驗證本文控制方法及觀測器的有效性，現對交流感應電動機控制系統進行仿真。所采用的電機參數:額定功率3．7 kW，額定轉速1 750 r/min，定子電阻 1．115 Ω，轉子電阻 1．008 Ω，定、轉子電感0．005 974 mH，極對數為2，轉動慣量0．02 kg·m2，摩擦系數0．005 752 N·m·s。設定轉子速度為500 r/min，電機空載起動，在0．8 s時負載為5 N·m，1．2 s時負載為 -5 N·m。

電機定、轉子磁鏈觀測及轉矩觀測曲線如圖2所示。由此可知，定、轉子磁鏈及轉矩滑模觀測器具有較高觀測精度，且對負載的突變具有良好的跟蹤性能。當電機空載穩定運行速度為500 r/min，突加負載5 N·m，此時過渡瞬間轉矩的突變不超過給定轉矩的20%，且轉矩過渡響應時間不超過0．03 s，轉矩響應如圖3所示。若負載從5 N·m突變至-5 N·m，轉矩響應瞬間的變化量也不差過給定負載轉矩的30%?？梢姡摽刂破骶哂休^強的抗負載擾動能力。在相同負載條件下，變結構直接轉矩控制比傳統直接轉矩控制具有更快的速度響應能力，如圖4所示，電機負載為5 N·m且轉速穩定，突加-5 N·m負載，此時傳統直接轉矩控制下的轉速脈動值超過10 r/min，而采用本文控制策略，其轉速擾動值小于4 r/min。

圖2 定、轉子磁鏈及轉矩觀測曲線

圖3 轉矩響應曲線

圖4 負載突變下轉速響應曲線

3．2 實 驗

根據圖1的控制策略構建系統，整個控制系統是采用基于TMS320F2812 DSP芯片的調速實驗平臺，對該控制策略及磁鏈觀測器進行驗證實驗分析，感應電機為2．0 kW，當給定轉速為500 r/min，負載力矩為2 N·m，通過示波器得到電機穩定狀態下的A、B相電流波形，如圖5所示，電機運行平穩。

輕載條件下，電機轉速從600 r/min突變到1 000 r/min，電流波形如圖6所示，系統大約在60ms后趨于穩定，轉矩響應迅速。

由仿真及實驗可知，定子磁鏈觀測器的設計及電機控制方法是合理可行的，且能夠滿足交流感應電機動態及穩態性能。

圖5 穩態時A、B相電流波形

圖6 動態時A、B相電流波形

4結 語

本文針對無速度傳感器的交流感應電動機調速系統，提出了直接轉矩控制與變結構控制相結合的新型策略，即采用線性滑?？刂谱鳛檗D矩、磁鏈調節方式;同時，設計的定、轉子磁鏈估計觀測器不依賴于轉子速度分量，具有良好的魯棒特性。理論分析和仿真結果證明了該方法具有控制精度高、魯棒性強、動態響應快等特點。

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