模糊滑?？刂坪拓?fù)載轉(zhuǎn)矩補償?shù)漠惒诫妱訖C(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

楊本臣， 和敬祥， 曹 留

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

?

模糊滑?？刂坪拓?fù)載轉(zhuǎn)矩補償?shù)漠惒诫妱訖C(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

楊本臣， 和敬祥， 曹 留

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

針對異步電動機(jī)(IM)轉(zhuǎn)矩脈動以及抗干擾能力差的問題，設(shè)計了基于模糊滑?？刂?FSMC)與負(fù)載轉(zhuǎn)矩補償?shù)男滦椭苯愚D(zhuǎn)矩控制(DTC)，取代傳統(tǒng)PID速度調(diào)節(jié)器的是一種滑?？刂破?。為解決滑?？刂破髦胸?fù)載轉(zhuǎn)矩脈動的問題，用模糊邏輯控制器取代了傳統(tǒng)滑?？刂坡芍械牟贿B續(xù)部分,可以明顯降低異步電動機(jī)在低速運轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)矩脈動。提出了一種負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器來估計未知的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器用來估計負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動，估計作為速度環(huán)的前饋補償。仿真結(jié)果表明：在低速負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動時，該設(shè)計具有更好的動態(tài)響應(yīng)和速度性能、更高魯棒性和更強的抗干擾能力。

異步電動機(jī)； 直接轉(zhuǎn)矩控制； 模糊滑模控制； 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測

0 引 言

異步電動機(jī)(IM)因其結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)成本低、效率高和可靠性強等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。然而，由于受未知參數(shù)變化與外部負(fù)載擾動的影響，嚴(yán)重降低了IM的控制性能。直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)[1,2]是使用最廣泛的控制策略之一，具有快速的動態(tài)響應(yīng)和很強的魯棒性。但在IM穩(wěn)定運行狀態(tài)時，DTC具有明顯的轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動。因此，許多研究學(xué)者們做了大量工作以減少轉(zhuǎn)矩脈動[3～8]。文獻(xiàn)[4]提出了基于模糊邏輯控制(FLC)的IM的位置控制，具有抗干擾能力強的優(yōu)點，但是存在很難消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和控制精度不高的缺陷。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)[5]具有計算速度快和自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)能力。

然而，復(fù)雜的算法使其應(yīng)用起來很有局限性?；？刂?SMC)[6]算法簡單、對系統(tǒng)不確定性不敏感，但抖振現(xiàn)象[7]限制了其應(yīng)用。另一方面，在文獻(xiàn)[8]中，一種負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器被應(yīng)用于估計負(fù)載轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器可以提高IM的抗干擾能力。

本文將模糊滑?？刂破?FSMC)用于減少IM的轉(zhuǎn)矩脈動,基于滑?？刂频呢?fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器被作為速度環(huán)的前饋補償。通過在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下進(jìn)行了模擬，證實了控制策略的快速性與有效性。

1 異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型

在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上，三相鼠籠式IM在α-β靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型如下

(1)

IM的轉(zhuǎn)子速度為

(2)

式中 τ為電磁轉(zhuǎn)矩。

IM的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

τ=npLm(isβirα-isαirβ)=np(λsαisβ-λsβisα)

(3)

式中 irα,irβ分別為α軸和β軸的轉(zhuǎn)子電流。

2 模糊滑?？刂坪拓?fù)載轉(zhuǎn)矩補償?shù)闹苯愚D(zhuǎn)矩控制

傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)不再重復(fù)介紹，請參閱文獻(xiàn)[11]。

圖1 基于模糊邏輯控制與負(fù)載轉(zhuǎn)矩補償?shù)闹苯愚D(zhuǎn)矩控制原理

3 模糊滑?？刂坪拓?fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器設(shè)計

3.1 模糊滑模控制器設(shè)計

速度誤差定義為

e=ω*-ω

(4)

選擇如下滑模面

(5)

設(shè)計滑?？刂破?/p>

(6)

式中 符號sgn(s)定義為

(7)

k越小，抖動越小。然而，控制系統(tǒng)的軌跡到達(dá)滑模面需要經(jīng)歷很長時間，因此控制器的參數(shù)設(shè)置是非常重要的。為了獲得較小抖振和快速到達(dá)滑模面，模糊邏輯控制器的設(shè)計是本文的重大意義。

模糊邏輯控制器的輸入變量為速度錯誤e，輸出變量為k(Δk)。選擇模糊集e和Δk作為{負(fù)大，負(fù)，零，正，正大}。e和Δk的隸屬度和 {-1，1}。采用的模糊規(guī)則如表1所示。

表1 模糊規(guī)則

模糊邏輯控制器的輸出為

k～=k0+Δk,k～>0

(8)

式中k0為模糊邏輯控制器的初始值。

模糊滑?？刂破鳛?/p>

(9)

定義李雅普諾夫函數(shù)為

(10)

從式(2)、式(5)、式(6)、式(10)可以得到

=-k～|s|≤0

(11)

3.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器設(shè)計

(12)

從式(1)可以得出

(13)

負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器可以設(shè)計為

(14)

式中 k1,k2為控制器設(shè)計的參數(shù)。

由式(13)，式(14)可以得到

(15)

當(dāng)k1>0，k2>0，根據(jù)勞斯判據(jù)，可知觀測器是漸漸穩(wěn)定的?？梢缘贸銮梆佈a償后的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

4 仿真結(jié)果分析

仿真系統(tǒng)的參數(shù)如下：異步電動機(jī)的額定功率為1.5kW；額定電壓為220V；額定電流為3.4A；參考轉(zhuǎn)速為1 000r/min;極對數(shù)為np=2;定子電阻Rs=1.125Ω；定子電感和轉(zhuǎn)子電感Ls=Lr=0.009H；Rr=2.084Ω；定轉(zhuǎn)子互電感Lm=0.403 5H;轉(zhuǎn)動慣量J=0.02kg·m2。仿真結(jié)果如圖2～圖6所示。

圖2 基于模糊滑模和負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器的直接轉(zhuǎn)矩控制速度響應(yīng)

圖3 圖2中速度響應(yīng)縮放圖

圖4 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測

圖5 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制下的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

圖6 基于模糊滑模控制器的直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

圖2顯示了基于模糊滑?？刂婆c負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器的直接轉(zhuǎn)矩控制的速度響應(yīng)，即在啟動階段，t=0.5 s從1 000 r/min;升至1 100 r/min;的速度階躍變化。圖3是基于模糊滑?？刂婆c負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器的直接轉(zhuǎn)矩控制與無負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器在t=0.25 s的縮放視圖。從圖2、圖3可以看出:基于模糊滑?？刂婆c負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制具有更好的快速性和更強的抗干擾能力。

5 結(jié) 論

基于IM直接轉(zhuǎn)矩控制方案，設(shè)計了模糊滑模控制器，以降低IM轉(zhuǎn)矩脈動和提高抗干擾能力。另外，負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器用于估計外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩的前饋補償。仿真結(jié)果表明:基于模糊滑模控制與負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器的直接轉(zhuǎn)矩控制方案具有非常良好的快速性和抗干擾能力，而且明顯地減少了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動。

[1] Kaboli S,Vahdati-Khajeh E,Zolghadri M R.Probabilistic voltage harmonic analysis of direct torque controlled induction motor drives[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2006,21(4):1041-1052.

[2] Cruz S M A,Cardoso A J M.Diagnosis of stator inter-turn short circuits in DTC induction motor drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2004,40(5):1349-1360.

[3] 吳召劍,吳定祥,龔金成,等.基于彈性聯(lián)軸器形變量檢測的電機(jī)扭矩測試系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(4):116-118，122.

[4] Fnaiech M A,Betin F,Capolino G A,et al.Fuzzy logic and sli-ding-mode controls applied to six-phase induction machine with open phases[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(1):354-364.

[5] Pajchrowski T,Zawirski K.Application of artificial neural network to robust speed control of servodrive[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2007,54(1):200-207.

[6] Liutanakul P,Pierfederici S,Meibody-Tabar F.Application of SMC with I/O feedback linearization to the control of the cascade controlled-rectifier/inverter-motor drive system with small DC-link capacitor[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(5):2489-2499.

[7]Rong-JongW.Fuzzysliding-modecontrolusingadaptivetuningtechnique[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2007,54(1):586-594.

[8]DiGennaroS,RiveraDominguezJ,MezaMA.Sensorlesshighorderslidingmodecontrolofinductionmotorswithcoreloss[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2014,61(6):2678-2689.

[9]YazdanpanahR,SoltaniJ,ArabMarkadehGR.Nonlineartorqueandstatorfluxcontrollerforinductionmotordrivebasedonadaptiveinput-outputfeedbacklinearizationandslidingmodecontrol[J].EnergyConversionandManagement,2008,49(4):541-550.

[10] 胡正高,趙國榮,馬合寶.基于奇異觀測器的連續(xù)系統(tǒng)傳感器故障估計[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(9):48-50,57.

[11]KaboliS,ZolghadriMR,Vahdati-KhajehE.AfastfluxsearchcontrollerforDTC-basedinductionmotordrives[J].IEEETran-sactionsonIndustrialElectronics,2007,54(5):2407-2416.

Induction motor DTC based on fuzzy sliding mode control with load torque compensation

YANG Ben-chen, HE Jing-xiang， CAO Liu

(Faculty of Electrical & Control Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China)

Aiming at problem of torque ripple and bad anti-interference capability of induction motor(IM),a novel direct torque control(DTC)based on fuzzy sliding mode control(FSMC)with load torque compensation is designed.The conventional PID speed regulator is replaced by a sliding mode controller.To solve the problem of torque ripple of load in sliding mode controller,a fuzzy logic controller replaces the discontinuous part of the conventional sliding mode control law.It can obviously reduce the torque ripple of IM at low speed.In addition,a load torque observer is proposed to estimate the unknown load torque.The load torque observer is used to estimate load torque disturbances and the estimation is used as the feed-forward compensation in the speed loop.The simulation results show that the design has better dynamic response and speed performance,high robustness and strong anti-interference to load torque disturbance at low speed.

induction motor(IM); direct torque control(DTC); fuzzy sliding mode control(FSMC); load torque observer

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0103—03

2016—06—08

TP 212

A

1000—9787(2017)07—0103—03

楊本臣(1975-)，男，博士，副教授，從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、異步電動機(jī)控制技術(shù)工作。