感应电机鲁棒滑模速度控制器的设计
李建军 ,桂卫华 ,张 超 ,何亚屏
(1.中南大学信息科学与工程学院,长沙410075;2.湖南工学院电气与信息工程系,衡阳421002)
摘 要: 利用Lyapunov稳定性理论推导出了速度控制律,从而保证了整个过程的渐进稳定。为克服速度控制律受系统未知不确定性上界的影响,减少滑摸抖动,设计了一模糊控制滑模器。整个系统所需的磁通是利用一滑模模型参考自适应(MRAS)速度辨识器来获得。仿真和实验表明,提出的滑模速度控制器在整个控制过程中对系统的不确定性具有较好的鲁棒性。
关键词: 滑模控制; 鲁棒控制; 磁场定向控制; 速度控制器; 感应电机
中图分类号: TP 391.9文献标识码: A文章编号:1671-4431(2009)09-0084-06
为克服传统感应电机控制方法的不足,提高其鲁棒性能,近些年来,大量的非线性理论的各种控制策略已经广泛的应用于感应电机的控制[1,2]。在这些方法中,以矢量控制和直接转矩控制技术研究的最为广泛[3-5]。
滑模变结构控制[4](SMC)是对非线性不确定性系统的一种有效的鲁棒综合方法,对系统参数摄动和外干扰鲁棒性非常强,且结构简单、响应快速。把SMC应用到交流电机(IM)的也有许多研究成果[5-7]。虽然SMC对系统的不确定性具有较大的不敏感,但是,这一也只是在滑模面上才成立,在滑模面以外的到达相[8,9](reaching phase)仍然要受到不确定性的影响,从这一意义上来说,在整个过程中,SMC对不确定性的鲁棒性能仍然没有获得[8]。为克服这一缺点,一般的做法是采用高增益控制来加速到达速度,使到达过程缩短,但是,这又可能加大滑模抖动和激发高频不稳定动态。为克服这一矛盾,近年来出现了许多研究成果,如文献[10,11]提出了一种在滑模面设计—可变边界层的技术,以减少滑模抖动。
1 交流电机数学模型
在α,β坐标系下,且满足通常的异步电机假设条件,感应电机的数学模型为[12]
2.2 模糊滑模控制器
上述滑模控制要获得良好的控制效果,必须满足式(23),然而|W(t)|往往是不可能测量的,所以一般的做法是选择一个足够大的kb来抑制外界的不确定性,但是过大的kb又会引起系统的过大的滑模振荡。因此为克服这一缺点,往往在滑模面上选择一边界层,并把式(18)中的符号函数用一饱和函数sat(S/)代替,只要合适选择边界层的厚度,就可以有效克制系统的滑模振荡,然而合适的界层的厚度的获得,要多次的调试,很难得到。为此,利用一模糊控制滑模器,来克服|W(t)|上界不可确定的影响。
模糊控制滑模器[13]的系统结构图见图1,此时,把原滑模控制的开关函数用一饱和函数sat(S/)代替。模糊控制器的规则为:
3 滑模MRAS速度辨识器
采用模型参考自适应速度观测器来进行速度辨识[14],原理见图2。由异步电机的数学模型可知,速度可以由转子磁链辨识计算得出,再采用Popov超稳定性定理来设计自适应律。电流模型,为可调模型
4.2 实验分析
实验装置如图4所示。整个实验装置包括一台300 kW的感应电机,一台电压源逆变器以及控制装置,控制装置由一块浮点DSP(TM320C31)和一块定点DSP(TM320F240)组成。速度辨识和VC控制在TM320C31上实现,为了得到比较效果,使用脉冲编码器由TM320F240通过M/T法获得实际速度。为了获得精确的速度辨识结果并使控制系统保持较好的动态性能,当给定速度为1 200 rpm、给定转矩在1 s时从100 Nm阶跃变化到400 Nm时的速度辨识以及电磁转矩实验曲线图见图5。其中曲线(a)是电机实际参考速度实验曲线,曲线(b)是电机估计速度实验曲线,曲线(c)是电磁转矩实验曲线,从图5中可以看出,电磁转矩发生阶跃变化对转速的辩识效果并不产生明显的影响,电机的估计速度值与电机的实际参考速度值是基本相同的,因此估计速度也能很好地跟踪实际参考速度。由此可知,提出的方案是切实可行的。
5 结 语
为克服传统基于感应电机磁场定向控制系统对系统不确定性敏感的缺点,设计了一种新的鲁棒滑模速度控制器,设计的控制器去掉了滑模到达相;设计了滑模MARS速度辩识器,利用Lyapunov稳定性理论推导得出了速度辩识律,也得到了系统所需磁通的观测值,实现了无速度传感器控制,也保证了系统整体渐进稳定性。为克服速度控制律受系统未知不确定性上界的影响,减少滑摸抖动,设计了一模糊控制滑模器,有效克服了传统滑摸控制的不足。最后进行了仿真和实验,结果表明,提出的滑模速度控制器在整个控制过程中对系统的不确定性具有较好的鲁棒性,速度的跟随性能也得到了提高。
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