基于自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器

許 勝 輝

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

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基于自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器

許 勝 輝

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

描述了一種新的控制異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。這種控制方法是一種基于自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制器是基于遺傳數(shù)學(xué)算法模型的優(yōu)化方法系統(tǒng)模型。這種方法簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制器在性能的動(dòng)態(tài)特性方面,有較強(qiáng)的魯棒性，改變了電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的擾動(dòng)。

變結(jié)構(gòu)控制； 交流感應(yīng)電機(jī)； 驅(qū)動(dòng)； 遺傳算法

0 引 言

采用快速的數(shù)字處理器矢量控制為電力設(shè)備提供了實(shí)時(shí)控制的可能性,即實(shí)現(xiàn)高效異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制。許多控制應(yīng)用是基于矢量控制的,但只有很少涉及提高控制器結(jié)構(gòu)性能的[1-2]。傳統(tǒng)的比例積分PI控制器,采用經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì),適合典型的線(xiàn)性控制過(guò)程模型。然而,絕大多數(shù)的系統(tǒng)一般為非線(xiàn)性關(guān)系,是很難實(shí)現(xiàn)的模型[3-4]。通過(guò)線(xiàn)性控制理論設(shè)計(jì)PI控制達(dá)到所需的帶寬和干擾需調(diào)整它們的參數(shù)。一個(gè)精確的電機(jī)控制需調(diào)整設(shè)置參數(shù)。但有時(shí)條件無(wú)法滿(mǎn)足,因?yàn)橛行﹨?shù)不可預(yù)知或隨著操作時(shí)間而變的。為避免這類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生,不同的非線(xiàn)性控制策略提出了改進(jìn)方法[5-8]。一種基于人工智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊、變結(jié)構(gòu)控制器(萬(wàn)順昌)的過(guò)程控制等[9-11]是一個(gè)較好的解決方案。

變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身是在處理系統(tǒng)中的不確定性, 即使在快速變化的電機(jī)的參數(shù)也能使性能優(yōu)良。許多研究人員[1-11]對(duì)變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的理論和滑動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了研究。構(gòu)成了萬(wàn)順昌基本原理, 根據(jù)控制命令執(zhí)行系統(tǒng)在規(guī)定的狀態(tài)空間的運(yùn)動(dòng)。即它的魯棒性,總稱(chēng)為動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的變化。

本文采用萬(wàn)順昌遺傳算法對(duì)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度進(jìn)行控制。萬(wàn)順昌控制器的特點(diǎn)是在常規(guī)變結(jié)構(gòu)速度控制不了的情況下, 利用速度信號(hào)提出了eleration信號(hào)的控制律。這種方法的特點(diǎn)是利用遺傳算法速度信號(hào)控制算法,提高瞬態(tài)響應(yīng)。此外,這個(gè)系統(tǒng)還有魯棒性和指數(shù)收斂速度的控制。最后,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 變結(jié)構(gòu)控制算法

萬(wàn)順昌算法可應(yīng)用到一個(gè)矢量控制的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)滑動(dòng)模式控制中需將參考模型的形式儲(chǔ)存在一個(gè)預(yù)定義的相平面,系統(tǒng)反饋并跟隨或沿軌道切換其控制算法[1]。

如上述的滑模變結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)對(duì)滑模平面和滑動(dòng)的十字線(xiàn)的定義。在跨越滑線(xiàn)時(shí),它將能穿越無(wú)限次。本文中,采用矢量控制的任務(wù)就是得到一個(gè)收斂的電機(jī)轉(zhuǎn)速。這一目標(biāo)就是調(diào)速系統(tǒng)方程。建立的矢量控制和速度控制器,如圖1所示。

電機(jī)轉(zhuǎn)速和它之間參考及推導(dǎo)變形可得如下:

(1)

(2)

所以,控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可改為圖2。

(3)

其中，a=-B/J，b=3p/2。Lm/Lr是一種反饋增益；(a+bk)是固有參數(shù)。

利用滑模速度控制器設(shè)計(jì)[2]的切換面與不可分割的組成部分。得：

(4)

由方程(3)可見(jiàn)：速度誤差收斂到零，指數(shù)呈無(wú)限大。因此超調(diào)不會(huì)發(fā)生。而該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性為一種狀態(tài)反饋系統(tǒng)。

基于開(kāi)關(guān)控制律來(lái)滿(mǎn)足上述條件和滑模的動(dòng)態(tài)行為，故變結(jié)構(gòu)速度控制器的設(shè)計(jì)為：

(5)

圖1 矢量控制和速度控制器控制系統(tǒng)

因此,滑摸動(dòng)態(tài)特性可由方程(3)導(dǎo)出,并用ωerr(t)跟蹤滑膜誤差收斂到零的指數(shù)。由轉(zhuǎn)矩電流可得方程(5)。

2 萬(wàn)順昌遺傳算法

萬(wàn)順昌遺傳算法改進(jìn)了遺傳算法的實(shí)時(shí)性并實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)調(diào)節(jié)，它可提高感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[12-15]的控制性和魯棒性。

(a) 無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)矩速度響應(yīng)

(b) 定子電流波形

(c) d-q軸電機(jī)定子電流波形

(d) 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

考慮的公式(5)。該控制系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)對(duì)參數(shù)的k和β等進(jìn)行了探討。參數(shù)k決定斜坡滑線(xiàn),因此,它將提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但過(guò)大會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定。它可適應(yīng)不同坡度,如坡度增大了誤差卻越小[1-2,15]。

設(shè)計(jì)一個(gè)β參數(shù)、性能良好的系統(tǒng)。當(dāng)β大的系統(tǒng)的狀態(tài)及滑線(xiàn)時(shí)間較短。然而,β小，系統(tǒng)的狀態(tài)及滑線(xiàn)需較長(zhǎng)時(shí)間?！按蟆被颉靶　敝刀伎扇?。故,我們需一個(gè)β值,通過(guò)遺傳算法選擇合適的參數(shù)β，且當(dāng)β增加接近滑移線(xiàn)絕對(duì)值的速度誤差，滑動(dòng)作用的S(t)和實(shí)際控制輸入作為輸入變量。它的輸出是用β和k來(lái)達(dá)到調(diào)整的目的。

3 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提出的自適應(yīng)控制方法對(duì)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能，模擬了一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的1.5HP,220/380 V,50 Hz,4-poles的異步電機(jī)。圖4顯示了遺傳算法優(yōu)化萬(wàn)順昌算法對(duì)矢量控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。模擬的自適應(yīng)遺傳算法是基于實(shí)時(shí)趨近的。

(a) 速度響應(yīng)

(b) 定子電流

(c) d-q軸定子電流

(d) 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

圖4(a)表示模擬電機(jī)速度為100 rad/s。為速度響應(yīng)。它出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)值,大約收低0.14 s。圖4(b)為三相異步電動(dòng)機(jī)定子電流波形,開(kāi)始和穩(wěn)定的狀態(tài)。圖4(c)為定子電流波形的d-q軸。注意到它們之間的夾角是近90°和幾乎是正弦波。圖4(d)為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。在模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,為控制系統(tǒng)在100 rad/s下的速度響應(yīng)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

圖5為模擬電機(jī)響應(yīng),即電機(jī)加載5 N·m/s, 速度150 rad/s。圖5(a)為它的速度響應(yīng),穩(wěn)態(tài)值大約0.23 s。圖5(b)為定子電流波形的穩(wěn)態(tài),幾乎是正弦波。圖5(c)為定子電流波形,在d-q軸之間的夾角是近90°。系統(tǒng)響應(yīng)為近正弦d-q軸定子電流。擾動(dòng)降低。電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)見(jiàn)圖4(d),顯見(jiàn),轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)是相當(dāng)不錯(cuò)的。速度調(diào)節(jié)器能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的振動(dòng)的變化值。在諧波存在時(shí),該系統(tǒng)具有較大的時(shí)常。此時(shí),扭矩在0.23 s急劇增大,這是由于滑動(dòng)速度,即此系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)約0.23 s。

(a) 速度響應(yīng)

(b) 三相電機(jī)定子電流

(a) 速度響應(yīng)

(b) 三相電機(jī)定子電流

該系統(tǒng)在另一種類(lèi)型的操作(變化)，即電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行在速度為100 rad/s,0.5 s,然后增加到150 rad/s如圖5(a)所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速增加,這是由于滑動(dòng)速度更高的開(kāi)始。它穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)速度約收低0.14 s。顯見(jiàn),電機(jī)速度得到有效控制。圖5(b)為三相異步電動(dòng)機(jī)的定子電流波形。

模擬控制器調(diào)速如圖6所示。電機(jī)運(yùn)行速度為150 rad/s命令,0.5 s,然后減少到100 rad/s參看圖6

(a)。在瞬間的階躍變化,穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到約0.23 s，圖6(b)為三相電機(jī)定子電流波形。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文給出了一種新的控制異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它利用了遺傳算法，改善了電機(jī)的控制性能,是一種自適應(yīng)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)。目的為了更新自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制器的控制性能。在實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的自適應(yīng)遺傳算法的基礎(chǔ)上，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。該方法的優(yōu)點(diǎn)為穩(wěn)態(tài)誤差小、響應(yīng)快、超調(diào)量小和抗干擾。

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Induction Motor Driver Based on the Adaptive Variable Structure Control Technique

XUSheng-hui

(Department of Electronic Information Engineering, Wuhan Polytechnic, Wuhan 430074, China)

This paper describe a new design method of controling induction motor driver system, and which is a based on the adaptive variable structure. The adaptive variable structure control driver is an optimization methods system model based on the genetic algorithm model. This method is simple and easily applied. Simulation and experimental results show that the adaptive variable structure controller have strong robustness in providing high performance dynamic characteristics with rapid response, high steady precision, small overshoot, and anti-interference.

variable structure control; AC induction motor; driver; genetic algorithm

2015-03-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(5100702)

許勝輝(1966-)，男，湖北鄂州人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)。

Tel.：027-87767776，13098870566；E-mail:xsh0566@sina.com

TM 921

A

1006-7167(2015)11-0086-04