基于新型變結(jié)構(gòu)控制策略的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究

鄧國璋

黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院

0 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control，DTC）是上個世紀(jì)八十年代由德國魯爾大學(xué)的Depenbrock教授提出的一種高性能交流變頻調(diào)速技術(shù)，并成功應(yīng)用于感應(yīng)電機控制領(lǐng)域。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)放棄了矢量控制中電流解耦的控制思想，省略了電壓調(diào)制模塊和電流反饋環(huán)，通過檢測定子電壓和定子電流，直接計算出電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并采用兩個滯環(huán)比較器直接實現(xiàn)對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、對系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動和外部干擾魯棒性強等優(yōu)點，但同時也存在電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動大，逆變器開關(guān)頻率不固定，系統(tǒng)低速運行時難以精確控制以及因轉(zhuǎn)矩脈動引起的高頻噪聲等問題[1]。很多研究[2]－[5]表明，將空間矢量調(diào)制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合可以有效解決DTC磁鏈和轉(zhuǎn)矩的波動，并且可以實現(xiàn)逆變器開關(guān)頻率恒定。然而在空間矢量轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，速度控制一般采用PI調(diào)節(jié)器，其中比例系數(shù)越大系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，但同時也增加了系統(tǒng)對噪聲的敏感性，積分環(huán)節(jié)的主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但存在積分飽和問題，容易對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成不利的影響。同時其設(shè)計過程比較依賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型，對非線性、強耦合對象的適應(yīng)性較差，對系統(tǒng)參數(shù)、外部擾動缺乏魯棒性，因此在低速時很難達到較為理想的控制性能。

變結(jié)構(gòu)控制（variable structure control，VSC）是一種魯棒性較強的非線性控制方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速、對系統(tǒng)參數(shù)攝動及外部擾動不敏感等優(yōu)點。然而傳統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制中離散化采樣延遲、開關(guān)器件慣性等因素容易導(dǎo)致“抖振”問題，引起高頻振蕩，對系統(tǒng)的控制性能造成很大危害。因此本文提出一種新型控制策略，將變結(jié)構(gòu)和PI控制相結(jié)合，在變結(jié)構(gòu)策略中采用帶有線性區(qū)間的非線性控制結(jié)構(gòu)，既能利用非線性特性抵償內(nèi)外擾的影響，又能實現(xiàn)系統(tǒng)在原點附近無抖振，在保證變結(jié)構(gòu)控制快速性和魯棒性優(yōu)點的同時，有效改善了系統(tǒng)的性能。

1 感應(yīng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制

感應(yīng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，磁鏈環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)均采用滯環(huán)調(diào)節(jié)器，根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出通過開關(guān)向量表選擇合適的電壓矢量，對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行控制。圖中定子磁鏈可由如下表達式計算:

圖1 感應(yīng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

式中 ψs、Vs和Is分別為定子磁鏈、定子電壓和定子電流，Rs為定子電阻。

在靜止兩相坐標(biāo)系下，電磁轉(zhuǎn)矩Te可由式（2）計算:

其中 ψsα，ψsβ分別為定子磁鏈的 α， β 分量，Isα， ψsβ分別為定子電流的 α，β分量，np為電機極對數(shù)。

2 基于VSC的空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制

基于變結(jié)構(gòu)控制的空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理如圖2所示。轉(zhuǎn)速給定值ω＊r與反饋值 ωr之差經(jīng)過速度環(huán)控制器，得到電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號。由轉(zhuǎn)矩觀測值Te與相比較得到轉(zhuǎn)矩誤差信號ΔTe，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，再與 ωeψs相加生成定子電壓分量。由定子磁鏈觀測值 ψs與定子磁鏈給定信號相比較得到磁鏈誤差信號Δψs，再經(jīng)過PI生成定子電壓分量，然后結(jié)合定子磁鏈位置角 θψs進行坐標(biāo)變換，從而產(chǎn)生SVM模塊的輸入電壓指令和，最后由SVM的輸出控制逆變器的開關(guān)信號。圖中速度環(huán)控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。下面將對速度環(huán)控制策略的設(shè)計進行具體分析。

其中Te為電磁轉(zhuǎn)矩，TL為負載轉(zhuǎn)矩，np為轉(zhuǎn)子極對數(shù)，J為轉(zhuǎn)動慣量，ωr為電氣角速度，B為摩擦系數(shù)，則速度環(huán)的跟蹤誤差:

對圖3所示的控制器，其控制量:

圖2 基于VSC的空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 速度環(huán)控制器結(jié)構(gòu)圖

帶有線性區(qū)間的非線性fal函數(shù)定義如下

為了保證Z對f觀測誤差的有界性，本文引入不連續(xù)投影算子[6]對自適應(yīng)律加以修正:

因此對圖2中的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，若采用圖3所示的控制器，以及式（7）～（11）描述的自適應(yīng)律，則系統(tǒng)全局一致漸近有界。

3 仿真實驗分析

為了驗證本文提出控制策略的有效性，應(yīng)用Matlab/Simulink對圖2和圖3所示系統(tǒng)進行了仿真實驗，并將仿真結(jié)果進行了對比。仿真時所用的感應(yīng)電機參數(shù)如下:

額定功率:5.5kW 額定電壓:380V

額定頻率:50Hz 極對數(shù):2

定子電阻:0.813Ω 轉(zhuǎn)子電阻:0.531Ω

定子電感:0.10626H 轉(zhuǎn)子電感:0.10875H

勵磁電感:0.1024H 轉(zhuǎn)動慣量:0.02kg·m2

圖1滯環(huán)控制器的容差范圍設(shè)為0.001。電機起動時給定轉(zhuǎn)速設(shè)為0轉(zhuǎn)/分，0.2秒時電機轉(zhuǎn)速變?yōu)?50轉(zhuǎn)/分，0.5秒給系統(tǒng)突加TL=35N·m的額定負載，仿真結(jié)果如圖5至圖7所示。

圖4和圖5為直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和基于VSC的空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線及其局部放大圖。從圖中可以看出，這兩種系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度沒有明顯差異，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動范圍為±2N·m，基于VSC的空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動為±1N·m，大約減小了50%。圖6為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，由圖可知轉(zhuǎn)速突變和突加負載時，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波動較大，到達穩(wěn)態(tài)的時間較長，而基于VSC的空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快，超調(diào)較小，加載后的恢復(fù)時間較短，表明本文提出的控制策略在改善了系統(tǒng)性能的同時有效解決了抖振問題，

5 結(jié)論

圖4 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

圖5 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)局部放大圖

圖6 轉(zhuǎn)速響應(yīng)

針對感應(yīng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩波動大、逆變器開關(guān)頻率不固定等問題，本文提出一種新型控制策略，在變結(jié)構(gòu)控制中采用帶有線性區(qū)間的非線性控制結(jié)構(gòu)，保證變結(jié)構(gòu)控制快速性和魯棒性的同時，又能實現(xiàn)系統(tǒng)在原點附近無抖振，有效改善了系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，具有一定的理論和實用價值。

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