基于新型变结构控制策略的直接转矩控制系统研究.pdf

电气 传 动 和 自动 控 制 El e ct r i c D r i v e Au t o ma t i c C o n t r o 1 电气 自动化 2 0 1 0年第 3 2卷 第 6期 基于新型变结构控制策略的直接转矩 控制系统研究 邓 国璋 黄冈职业技术学院 摘要 提 出一种新 型变结 构控制策 略 以解 决感应 电机直接转矩控制系统转矩波动大 低速性能差 以及逆变器开关频率不固定等 问 题 在 变结构控制 中采用带有线性 区间的非线性控制结构 既能利用非线性特性抵偿 内外扰的影响 又能实现系统在原 点附近 无抖振 在保证 变结 构控制快速性 和鲁棒性的同时 有效改善 了系统 的性能 结合 电机数学模 型设计 了相应 的控制律 通过 L v a p u n o v 分析证明了系统 的全局渐近稳定性 仿真结果证明了本文所 提控制策 略的有效性和可行性 关键词 变结构控制直接转矩控制感应电机 f 中图分类号 T M3 0 1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 0 0 6 0 0 0 7 0 4 Re s e a r ch o f Di r e ct Tor q u e Co n t r o I Ba s e d O n a Ne w Va r i a b l e St r u ct u r e Co n t r o I S t r a t e g y De ng Guo z h a n g H u a n g G a n g P o l y t e ch n i c C o l le g e C h i n a A b s t r a ct A n e w v a ria b l e s t r u ct u r e co n t r o l V S C s t r a t e g y is p r o p o s e d in t h i s p a p e r t o s o l v e p r o b le m s o f D T C f o r i n d u ct io n m o t o r d ri v e s s u ch a s la r g e t o r q u e r ip ple diffi cu lt y t O co nt r o l a t lo w s p e e d r a ng e a n d t he s wit ch ing freq u e n cy is v a r ia b le Th e n o n line a r co n t r o l t e ch no lo g y wit h lin e a r r e g io n is a do pt e d in VSC t o co un t e r a ct t h e e f f e ct o f d is t ur ba n ce a n d a ch ie v e z e r o cha t t e r ing r ig h t a r o un d s y s t e m o ri g in T he r o bu s t ne s s a nd q uick ne s s o f VS C a r e ma in t a in e d a n d t h e p e r f o r ma nce is s ig nif ica n t ly impr ov e d b y t h e n e w s t r a t e g y s imult a n e o u s ly Ac co r d ing t o ma t h e ma t ica l mo de l o f in d uct io n mo t o r co n t r o l la w is d e s ig ne d in t his pa p e r a n d g lo b a l a s y mp t o t ic s t a bilit y o f t h e s y s t e m is p r o v e d in t he L y a p un o v s e n s e S imu la t io n r e s u lt s co n f ir m t h e v a lid it y a n d f e a s ib ilit y o f t he pr o p o s e d s t r a t e gy Ke y wo r d s v a r i a b le s t r u ct u r e co n t r o l VS C d i r e ct t o r q u e co n t r o l DT C in d u ct i o n mo t o r 0 引 言 直接转矩控制 d ir e ct t o r q u e co n t r o l D T C 是上个世 纪八 十年 代 由德 国鲁 尔大学 的 D e p e n b r o ck教授提 出的一种 高性 能交流变 频调速技术 并成 功应用于感应 电机控制领域 直 接转矩控制技 术放弃了矢量控制中电流解耦的控制思想 省略了电压调制模块 和电流反馈环 通过检测定子 电压和定子电流 直接计算 出电机的 磁链 和转矩 并采用两个滞环 比较器 直接 实现对定子磁链和转矩 的解耦控制 因此具有结构简单 转矩 响应快 对系统内部参数摄 动和外部干扰鲁棒性强等优点 但 同时也存在 电流 磁链和转矩脉 动大 逆变器开关频率不固定 系统低速运行时难以精确控制以及 因转矩脉动引起的高频噪声等问题 很多研究 一 5 表明 将空 间矢量调制技术与直接转矩控制相结合可以有效解决 D T C磁链 和转矩的波动 并且 可以实现逆变器开关频率恒定 然而在空 间 矢量转矩控制系统中 速度控制一般采用 P I 调节器 其中比例系 数越大系统响应速度越快 但 同时也增加了系统对 噪声 的敏感性 积分环节 的主要作用是消除系统 的稳态误差 但 存在积分饱 和问 题 容易对系统的稳定性造成不利的影响 同时其设计过程 比较 依赖于控制对象的数学模型 对非线性 强耦合对象的适应性较 差 对系统参数 外 部扰 动缺乏鲁棒性 因此在低 速时很难达到较 为理想 的控制性能 变结构控制 v a r i a b le s t r u ct u r e co n t r o l V S C 是一种鲁棒性较强 的非线性控制方法 具 有结构简单 响应快速 对 系统参数摄动及 外部 扰动不敏 感等优 点 然而传 统变结 构控制 中离散化采样延 迟 开关器件惯性等因素容易导致 抖振 问题 引起高频振荡 对 系统的控制性能造成很大危害 因此本文提出一种新型控制策 略 将 变结构 和 P I 控制相结合 在变结构策略中采用带有线性 区 间的非线性控制结构 既能利用非线性特性抵偿内外 扰的影响 又 能实现系统在原点附近无抖振 在保证变结构控制快速性和鲁棒 性优点 的同时 有效改善 了系统 的性能 1 感应 电机直 接转矩控制 感应电机直接转矩控制系统的结构如图 1 所示 磁链环和转 矩环均采用滞环调节器 根据调节器的输出通过开关向量表选择 合适 的电压矢量 对磁链 和转矩进行控制 图中定子磁链 可由如 下表达式计算 电气传动和 自动控 制 El e ct r i c Dr i v e Au t o m a t i c C on t r o I 因此对 图 2中的直接转矩控制 系统 若采用图 3所示 的控制 器 以及式 7 1 1 描述的自适应律 则系统全局一致渐近有界 3 仿真 实验分析 为了验证本文提出控制策略的有效性 应用 M a t la b S i m u li n k 对图2和图3所示系统进行了仿真实验 并将仿真结果进行了对 比 仿真时所用的感 应电机参数如下 额定功率 5 5 k W 额定 电压 3 8 0 V 额定频率 5 0 H z 极对数 2 定子电阻 0 8 1 3 D 转子电阻 0 5 3 1 1 定子 电感 0 1 0 6 2 6 H 转子 电感 0 1 0 8 7 5 H 励磁 电感 0 1 0 2 4 H 转动惯量 0 0 2 k g m 图 1 滞环控制器的容差范围设为 0 0 0 1 电机起动时给定转 速设为 0转 分 0 2秒时 电机转速变为 1 5 0转 分 0 5秒给系统 突加 n 3 5 N m的额定负载 仿真结果如图5至图7所示 图4和图 5为直接转矩控制系统和基于 V S C的空间矢量直 接转矩控制系统 的转矩 响应 曲线及其局部放大图 从 图中可 以看 出 这两种系统的转矩动态响应速度没有明显差异 直接转矩控制 系统 的转矩波动范围为 2 N m 基 于 V S C的空 间矢量直接转矩 控制系统的转矩脉 动为 1 N m 大约减小 了 5 0 图 6为系统 的转速响应曲线 由图可知转速突变和突加负载时 直接转矩控制 系统的转速波动较大 到达稳态的时间较长 而基于 V S C的空间 矢量直接转矩控制 系统转速响应较快 超调较小 加载后 的恢复时 间较短 表 明本文提出的控制 策略在改善 了系统性能的同时有效 解决 了抖振问题 5结论 针对感应 电机直接转矩控制系统磁链 和转矩波动大 逆变器 开关频率不 固定等问题 本文提 出一种新型控制策略 在变结构控 杰 一 挥 幺 一 样 8 一 一 一 一 一 一一一一 I t S a 直接转矩控制系统 t s b 基于V S C 的空间矢量 直接转矩控制 系统 图 4转矩响应 弓 簿 弓 辩 求 辩 一 样 一 电气 自动化 2 0 1 0年第3 2 卷 第 6 期 t s a 直接 转矩控 制系统 8 6 0 7 0 8 t s b 基于V S C 的空间矢量直接转矩控制系统 图 5 转 矩响应局部放大图 L t S a 直接转矩控 制系统 t S b 基于V S C 的空间矢量直接转矩控制系统 图 6 转速响应 制中采用带有线性区间的非线性控制结构 保证变结构控制快速 性 和鲁棒性 的同时 又能实现系统在原点附近无抖振 有效改善 了 系统 的动态和稳态性能 具有一定的理论和实用价值 参考文献 I 贾洪 平 孙丹 贺益康 基于滑模变结构 的永 磁同步电机 直接转矩控制 J 中国电机工程学报 2 0 0 6 2 6 2 0 1 3 4 1 3 8 下转第1 8 页 驱 5 弘 船 s n 电气 自动化 2 0 1 0年第 3 2卷 第 6期 O 0 O 磊 一 一 O O O 耋 金 图 1 常规 K a l ma n运动 目标跟踪 机 器 人 技 术 R o b o t T e c h n o 1 o g i e s 图 2 模糊 自适应 K a l ma n运动 目标跟踪 5结论 在实际的接触型作业任务中 由于外部 限制条件的不确定性 传统 的力控制方法很难得到理想的控制结果 本文对多传感器的 混合控制进行了研究 通过力反馈信息对未知环境 中的法线方向 进 行估计 采用模糊 自适应 K a lm a n 滤波估计图像雅可 比矩阵 对 视觉采用变结构控制器 力控制采用 P I 控制器 从仿真结果来看 视 觉 力反馈 的混合控 制具有 较高 的力控 制精度 和 曲线 跟踪能 力 增强 了对接触环境参数变化的鲁棒性 参考文 献 1 Z h a o Y C h e a h C C S lo t in e J J E A d a p t iv e V is io n a n d F o r ce T r a ck in g C o n t r o l o f C o n s t r a i n e d R o b o t s w i t h S t r u ct u r a l U n ce r t a i n t ie s C 2 0 0 7 I E E E I n t e r n a t io n a l Co n f e r e n c e o n Ro b o t ic s a n d Au t o ma t io n 2 0 0 7 2 3 4 9 2 3 5 4 2 J a y e n d e r J A z iz i a n M P a t e l R V A u t o n o mo u s I ma g e G u id e d R o b o t A s s i s t e d A ct iv e C a t h e t e r I n s e r t i o n J I E E E T r a n s a ct i o n s o n R o b o t i cs 2 0 0 8 2 4 4 8 5 8 8 71 3 D o u lg e r i Z K a r a y ia n n id i s Y F o r ce P o s it io n R e g u la t io n f o r a R o b o t in 图 3位 置跟 踪 图 4力跟踪误差 C o mp lia n t C o n t a ct U s in g A d a p t iv e S u r f a ce S lo p e I d e n t if ica t io n J I E E E T r a n s a ct i o n s o n A u t o m a t i c C o n t r o l 2 0 0 8 5 3 9 2 1 1 6 2 1 2 2 4 钱 江 苏剑波 图像雅可 比矩阵 的在线 Ka t m a n滤波估计 J 控制 与决 策 2 0 0 3 1 8 1 7 7 8 0 5 李二超 李炜 在未知环境下面向位控机器人 的力 位混合控制 J 煤 炭学报 2 0 0 7 3 2 6 6 5 7 6 6 1 6 Me h r a R K A p p r o a ch e s t o a d a p t i v e f i l t e r i n g J I E E E T r a n s a ct i o n s o n A u t o ma t i c C o n t r o l 1 9 7 2 1 7 5 6 9 3 6 9 8 7 李二超 李炜 基于 B P神经 网络的机器人 容错控制 J 电气 自动化 2 0 0 7 2 9 6 2 4 2 5 作者简介 李战明 1 9 6 2一 男 陕西西安人 教授 博导 从事智能控制 机 器视觉等方面研 究 李二超 1 9 8 0一 男 河北省保定市人 博士 讲师 从 事机器人 智能控制 机 器视 觉 传 感器融合 等方面的研 究 李炜 1 9 6 3一 女 陕西省西安市人 教授 从 事工业过程 先进控制 动态过程的 故障诊 断与容错控制等方面的研究 上接第9 页 2 L a i Y S C h e n J H A n e w a p p r o a ch t o d ir e ct t o r q u e co n t r o l o f i n d u ct i o n mo t o r d r iv e s f o r c o n s t a n t in v e r t e r s w it ch in g f r e q u e n c y a n d t o r q u e r ip p le r e d u c t i o n J I E E E T r a n s a ct i o n s o n E n e r g y C o n v e r s i o n 2 0 0 1 1 6 3 2 2 0 2 2 7 3 L s cu C B o l d e a I B l a a b j e r g F V e r y l o w s p e e d v a r i a b l e s t ruct u r e co n t r o l o f s e n s o r l e s s i n d u ct i o n ma ch in e d riv e s w i t h o u t s i g n a l i n j e ct i o n J I E E E T r a n s a ct io n s o n I n d u s t r y A p p lica t io n s 2 0 0 5 4 1 2 5 9 1 5 9 8 4 Z e l e ch o w s k i M K a z mi e r k o w s k i M P B l a a b j e r g F C o n t r o l l e r d e s i g n for d i r e ct t o r q u e co n t r o lle d s p a ce v e ct o r mo d u la t e d D TC S VM in d u ct io n n lo t o r d r i v e s J P r o ce e d i n g o f P o w e r E le ctr o n i cs a n d D r i v e S y s t e m s 2 0 0 5 9 5 1 9 5 6 1 8 E le c t r i c a I Au