摘 要:文中针对传统直接转矩控制系统中PI算法对电机参数和负载变化敏感的不足,提出了一种复合滑模控制器,该控制器由一积分切换自适应滑模控制器并联一积分环节构成。经仿真验证,表明该方法能提高系统鲁棒性,在相同仿真条件下,比使用传统PI算法,使得转矩和转速的波动分别减小了15%和4%左右,从而证明了该方法的可行性。
关键词:永磁电机;滑模变结构;直接转矩
直接转矩控制摈弃了矢量控制解藕的思想,采用定子磁场定向和直接在定子坐标系下控制电磁转矩,从而获得较好的动态特性。但是在直接转矩控制系统中,存在磁链和转矩的脉动的问题[1]。为了解决这一问题,近年来有许多学者提出了各种不同的方法。第一种就是提高硬件性能即使用多电平逆变器[2],但是随着开关功率的增大,系统的成本和复杂性就会提高;第二就是改进开关表[3],但是试验表明这种方法对减小转矩和磁链的脉动效果并不明显;第三种就是采用一些先进的控制方法,如模糊控制、自适应控制和神经网络控制[2-4],但是在使用这些控制方法时至少要用到一个或两个PI控制器,由于PI控制器对电机的参数、转速和负载变化比较敏感,致使系统鲁棒性不强[5]。
而滑模变结构控制对系统参数的变化和外界干扰的影响不敏感,能使系统的状态按预定的路径变化,使控制系统具有高稳定性、高精度、鲁棒性和快速响应等优点[6]。基于此,文中提出了积分切换的自适应滑模算法与积分环节并联来构成转矩调节器,进而代替PI控制器。积分型滑模面可以利用其积分部分增强抗干扰性能,提高系统的鲁棒性;并联的积分环节可以克服滑模控制器带来的稳态速度静态误差。系统仿真表明改控制方法减小了转矩和磁链的脉动,增强了系统的动态特性并使系统具有较强的鲁棒性。
一个典型的直接转矩系统,其核心思想是以空间矢量理论为基础对磁链和转矩的直接控制,即通过磁链计算、磁链比较、磁链调节进而形成磁链控制信号,同时由速度给定、转矩控制器、转矩比较、转矩调节器形成转矩控制信号,这两种控制信号再结合磁链空间位置判断信号来直接对逆变器的开关状态进行最佳控制以获得转矩的高动态性能。
滑模变结构控制是为控制系统预先在状态空间上设计一个特殊的开关面,在系统变量从起始点运动到开关面之前,系统的控制结构维持一种形式,当系统变量到达开关面后,开始自适应的调整律控制,最终使系统状态沿着开关面一直滑动到平衡点,此时系统的控制结构又维持另一种形式。
为了克服直接转矩系统非线性、参数变化对系统动态性能的影响,提出了积分切换的自适应滑模算法来调节转速和转矩,该算法中由于引进了积分环节使得开关状态间的过渡平滑性增强故减小了在切平面上的“抖动",但由于滑模控制器本身的输出是离散跳跃式的,进而使系统在达到稳态时使得转速产生静差,为了保留该滑模控制器的优点克服静差的影响,在单纯滑模控制器输出端并联积分环节,形成复合型滑模控制器。常规的滑模变结构控制存在很大的抖动,为此应用时须采取措施削弱抖动以使其保持在可以接受的范围内。通常的消抖方法是在滑模线附近设计一个滑模带,使系统状态在滑模带内作高频切换运动,但由于滑模带的宽度不易确定,抖动的消除是以牺牲其系统的鲁棒性为代价的。
由于在单独使用滑模控制器作为转矩控制器时,其状态常在两种开关模式下进行切换,这就造成了在切平面的“抖动”,进而影响了转矩控制器输出ΔT(ΔT为转矩控制器输出与电磁转矩计算值的差值),使得系统在达到稳态时转速产生静差,也致使系统鲁棒性变差。通过在滑模控制器端并联积分环节,加入连续环节可有效地削弱转速稳态时的静差。该控制器不但具有滑模控制器结构简单、鲁棒性强的优点,还克服了滑模控制器所带来的稳态速度静差问题。文中称这种结构控制器为复合滑模控制器。
文中在设计了积分切换的自适应滑模控制算法基础上提出了一种复合型滑模控制器,该算法是在滑模控制器两端并联比例积分环节以提高直接转矩系统低速时的性能。通过原理分析和仿真研究证明了该改进算法的可行性,它比采用传统PI控制器具有更好的鲁棒性,又改善了当采用单个滑模控制器时所引起的转矩和转速的“抖动”。该算法在线计算工作量小适合DSP器件实现,为解决DTC系统低速时性能的提高提供了一种途径。
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