基于模糊PI 和自適應(yīng)滑模的異步電動機DTC 控制

李 瀛，胡立坤，盧子廣，李 卓

(廣西大學(xué)，南寧530004)

0 引 言

20 世紀80 年代中期，Takahashi 和Noguchi 提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有優(yōu)良的動靜態(tài)控制性能和調(diào)速效果［1－2］。

然而，直接轉(zhuǎn)矩控制有一些不足之處，電機運行時存在轉(zhuǎn)矩、磁鏈脈動大，調(diào)速范圍也受到一定的限制。通常直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(以下簡稱DTC)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)部分采用PI 調(diào)節(jié)器，通過給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值得到給定轉(zhuǎn)矩的值。由于電機參數(shù)在不同的運行狀態(tài)中不斷變化，而傳統(tǒng)的PI 調(diào)節(jié)器不能提供良好的控制要求，轉(zhuǎn)速的控制精度較差，不利于其精確調(diào)節(jié)［3］。多年來，國內(nèi)外專家學(xué)者在磁鏈觀測器和PI 參數(shù)調(diào)節(jié)方面作了大量研究［4－6］。文獻［7］采用滑模控制設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)，減小了電機的響應(yīng)時間和轉(zhuǎn)矩脈動。文獻［8］采用多電平逆變器減小了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動，但使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。文獻［9］提出的速度觀測器和磁鏈觀測器，可適用于直接轉(zhuǎn)矩控制。文獻［10－11］均能有效減少轉(zhuǎn)矩脈動，但在轉(zhuǎn)矩控制回路中采用PI 控制器使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)變慢。

本文基于以上問題，提出模糊自適應(yīng)PI 控制和自適應(yīng)滑模磁鏈觀測器的設(shè)計，其中模糊PI 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI 控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確控制，而磁鏈觀測器中的自適應(yīng)收斂律是通過Lyapunov 理論推導(dǎo)出來的，可保證觀測器的穩(wěn)定性，所估計的轉(zhuǎn)矩、磁鏈具有較高的精度，脈動較小，彌補了DTC 的不足。最后，通過dSPACE DS1104、QUANSER8(Q8)搭建硬件的在回路平臺進行實驗，驗證了兩種策略所具有的優(yōu)良性能。

1 異步電動機數(shù)學(xué)模型和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 異步電動機數(shù)學(xué)模型

靜止坐標系下異步電動機的數(shù)學(xué)模型、定子磁鏈空間矢量角位置以及αβ 坐標系下定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的公式如下:

1.2 改進的直接轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)實際的應(yīng)用系統(tǒng)，常采用速度觀測器DTC 技術(shù)，本文采用自適應(yīng)滑模方法設(shè)計磁鏈觀測器，同樣可以估計轉(zhuǎn)速。用模糊PI 控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI 控制器來控制轉(zhuǎn)速。改進的異步電動機DTC系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 改進型DTC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 模糊PI 控制器設(shè)計

模糊控制理論常用于優(yōu)化異步電動機的性能［12］。本文所采用的模糊自適應(yīng)PI 控制器是一個雙輸入、雙輸出的系統(tǒng)，以誤差e 和誤差的變化ec為輸入量，以ΔKp，ΔKi為輸出變量。根據(jù)模糊PI控制的基本思想，依照實際經(jīng)驗建立模糊控制規(guī)則表，如表1、表2 所示。誤差e 和誤差的變化ec的論域范圍為［－12，12］，ΔKp，ΔKi的論域范圍分別為［－6，6］，［－0.6，0.6］，e，ec，ΔKp，ΔKi的模糊集合均取{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，表示{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}。其中，NM，NS，ZO，PS，PM 均取三角波隸屬函數(shù)。邊界值NB，PB 取梯形波隸屬函數(shù)。

表1 ΔKp 的模糊控制表

表2 ΔKi 的模糊控制表

3 磁鏈觀測器設(shè)計

將αβ 坐標系下異步電動機定子電流和定子磁鏈寫成狀態(tài)方程:

建立觀測器模型:

用式(7)減去式(6)得:

由式(10)得:

將式(10)代入式(11)消去S 得:

選取李雅普諾夫函數(shù)為:

由于轉(zhuǎn)速ωr變化慢，可將其近似為常數(shù)，Δωr=0，則V 的導(dǎo)數(shù):

式(13)變?yōu)?

將式(11)和式(12)代入(15)中得:

為了滿足李雅普諾夫穩(wěn)定條件，使pV ＜0，可令z1＜0 并且z2=0。故，為保證z1＜0，可使:

將K 寫成KT=cI+dJ，代入式(18)得:

改寫:

令W= [wI－KP12]，得KP12的特征根:

令行列式為零，得:

即:

則特征根為:

因為w ＞0，特征根非正，磁鏈觀測器系統(tǒng)是穩(wěn)定的。而當(dāng)z2=0 時，有:

這樣，pV ＜0，將式(18)代入式(26)，得:

因此，通過上式估算磁鏈，可替代式(5)傳統(tǒng)磁鏈計算法。新型磁鏈觀測器也可估計轉(zhuǎn)速，并能根據(jù)觀測的磁鏈值計算電機轉(zhuǎn)矩值。

4 仿真結(jié)果

依據(jù)DTC 原理、異步電動機模型和控制設(shè)計方法，用MATLAB/Simulink 分別搭建傳統(tǒng)和新型的DTC 仿真模型。仿真電機參數(shù)如表3 所示。

表3 仿真電動機主要參數(shù)

圖2 傳統(tǒng)異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真結(jié)果

圖3 新型異步電動機DTC 仿真結(jié)果

由圖2、圖3 可知，兩種方法中電機轉(zhuǎn)速均能跟蹤給定轉(zhuǎn)速，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時，電機轉(zhuǎn)速迅速達到1 000 r/min，定子磁鏈在整個變化過程中沒有發(fā)生改變，一直為0.8 Wb，轉(zhuǎn)矩也呈矩形。但是新型直接轉(zhuǎn)矩控制方法調(diào)節(jié)速度快，轉(zhuǎn)矩、磁鏈脈動小。

5 實驗結(jié)果

以上仿真結(jié)果證明了改進方法的可行性和有效性，將其應(yīng)用到實際系統(tǒng)中進行實驗研究。本實驗采用一套4 kW 三相異步電動機、QUANSER8(Q8)和dSPACE DS1104 搭建調(diào)速實驗平臺，dSPACE DS1104 實時仿真系統(tǒng)是一套基于MATLAB/Simulink 的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實物仿真的軟硬件工作平臺，可作為控制器進行實時計算、A/D 采樣、PWM脈沖輸出和數(shù)據(jù)保存。采樣頻率50 kHz，開關(guān)頻率5 kHz，死區(qū)時間5 μs。異步電動機主要參數(shù)如表4所示。

實驗中給定轉(zhuǎn)速從200 r/min 上升到600 r/min，模糊PI 控制器和傳統(tǒng)PI 控制器對比結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可看出，模糊自適應(yīng)PI 大約經(jīng)過150 ms轉(zhuǎn)速就達到穩(wěn)定狀態(tài)，并且無超調(diào)和機械脈動，而傳統(tǒng)的PI 要經(jīng)過250 ms 轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定，大約有5.25%的超調(diào)。

表4 異步電動機主要參數(shù)

圖4 模糊PI 和傳統(tǒng)PI 的對比

圖5 為自適應(yīng)滑模磁鏈觀測器所觀測的磁鏈、轉(zhuǎn)矩與傳統(tǒng)磁鏈、轉(zhuǎn)矩對比實驗。給定磁鏈為0.75 Wb，電機先空載運行，在1.0 s 時帶載運行。圖5(a)、(b)為傳統(tǒng)方法中的轉(zhuǎn)矩、磁鏈波形圖;圖5(c)、(d)為采用新型磁鏈觀測器的轉(zhuǎn)矩、磁鏈波形圖。

圖5 兩種觀測器對比實驗結(jié)果

從圖5 可以明顯看出，傳統(tǒng)觀測器所觀測的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動很大，而采用自適應(yīng)滑模設(shè)計的觀測器，所估計的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動明顯減小，說明觀測器具有可應(yīng)用性且控制性能優(yōu)良。

將模糊PI 控制器和自適應(yīng)滑模磁鏈觀測器兩種控制策略應(yīng)用到異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速實驗中。給定定子磁鏈ψ*s =0.6 Wb，給定轉(zhuǎn)速從300 r/min 上升到700 r/min。實驗結(jié)果如圖6 所示，圖6(a)為轉(zhuǎn)子速度，在0.7 s 時，轉(zhuǎn)速發(fā)生從300 r/min發(fā)生跳變，大約經(jīng)過0.16 s 轉(zhuǎn)速上升到700 r/min，轉(zhuǎn)速略有波動，變動范圍很小。圖6(b)為電機的電磁轉(zhuǎn)矩，可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)矩迅速響應(yīng)，瞬間達到大約5.8 N·m，而后快速下降。圖6(c)為定子電流變化，定子電流在高速時幅值比低速時小，定子電流變化到穩(wěn)定的時間和轉(zhuǎn)速上升所用時間幾乎一致。圖6(d)為定子磁鏈，在轉(zhuǎn)速變化過程中，其值一直為給定磁鏈值，控制良好且波動很小。

圖6 新型異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制實驗結(jié)果

6 結(jié) 語

本文的模糊PI 控制器是在傳統(tǒng)PI 的基礎(chǔ)上加入模糊控制算法，可自動調(diào)節(jié)PI 參數(shù)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間短且無超調(diào)，實現(xiàn)其精確調(diào)節(jié)。根據(jù)自適應(yīng)滑?；驹?，通過Lyapunov 理論推導(dǎo)自適應(yīng)收斂律，設(shè)計了磁鏈觀測器，所估計的轉(zhuǎn)矩和磁鏈精度較高，脈動明顯較少，兩種控制策略提高了整個電機調(diào)速系統(tǒng)的控制精度，系統(tǒng)具有良好的控制性能。

［1］ CHE Changjin，QU Yongyin.Research on drive technology and control strategy of electric vehicle based on SVPWMDTC［C］//2011 International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer. IEEE Conference Publications，2011:44－49.

［2］ SERGAKI E S，MOUSTAIZIS S D.Efficiency optimization of a direct torque controlled induction motor used in hybrid electric vehicles［C］//IEEE Conference Publications，2011:398－403.

［3］ 袁登科，徐國卿，胡波，等.直接轉(zhuǎn)矩控制交流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計研究［J］.機電一體化，2008(10):47－50.

［4］ FINCH J W，GIAOURIS D. Controlled AC electrical drives［J］.IEEE Trans.on Ind.Electron，2008，55(2):481－491.

［5］ 吳志飛，張興華，孫振興，等.基于自適應(yīng)滑模觀測器的感應(yīng)電動機直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.微特電機，2013，41(10):64－69.

［6］ 李春杰，李旭春.一種改進的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)定子磁鏈觀測方法［J］.電機與控制應(yīng)用，2006，33(6):32－35.

［7］ 傅洪，陳全世，田光宇.基于滑模的直接轉(zhuǎn)矩控制車用驅(qū)動電機的研究［J］.汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2010，1(1):59－66.

［8］ 駱光照，李斐，楊南方，等.三電平逆變器供電永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，30(1):22－26.

［9］ 廖永衡，馮曉云，王珍.基于定子磁鏈滑模觀測器的異步電機空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，32(18):88－97.

［10］ TANG Lixin，ZHONG Limin，RAHMAN M F，et al. A novel direct torque controlled interior permanent magnet synchronous machine drive with low ripple in flux and torque and fixed switching frequency［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(2):346－354.

［11］ 劉軍，楚小剛，白華煜. 基于參考磁鏈電壓空間矢量調(diào)制策略的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究［J］. 電工技術(shù)學(xué)報，2005，20(6):11－15.

［12］ AZCUE P J L，RUPPERT E. Three－phase induction motor DTC－SVM scheme with self－tuning PI－type fuzzy controller［C］//2010 Seventh International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery.IEEE Conference Publications，2010:757－762.