基于抗飽和的異步電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)化

摘要：異步電機(jī)的調(diào)速控制常采用傳統(tǒng)的PI調(diào)速方式，但由于其存在非線性特性，為提高控制性能，建立了異步電機(jī)矢量控制的數(shù)學(xué)模型，提出了一種由抗積分飽和（AW）控制器和擾動(dòng)觀測器（DOB）復(fù)合控制的方法對經(jīng)典的PI控制進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化的PI調(diào)節(jié)器中，積分項(xiàng)可根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出是否飽和進(jìn)行單獨(dú)控制，可以削弱積分飽和效應(yīng)，也可以較好地消除系統(tǒng)受到的干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器可以在提高響應(yīng)速度的同時(shí)，較好地抑制積分飽和現(xiàn)象，提高異步電機(jī)調(diào)速的性能。

關(guān)鍵詞：異步電機(jī);抗飽和;擾動(dòng)觀測器

中圖分類號：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）18-0056-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.014

0 引言

異步電機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行對于保障生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。異步電機(jī)性能優(yōu)化需要借助先進(jìn)的電機(jī)設(shè)計(jì)、控制和監(jiān)測技術(shù)，推動(dòng)電機(jī)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。通過研究和應(yīng)用新型材料、先進(jìn)控制算法、智能監(jiān)測系統(tǒng)等技術(shù)手段，可以不斷提升異步電機(jī)的性能水平。

異步電機(jī)具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特性，矢量控制技術(shù)的發(fā)展使異步電機(jī)的調(diào)速性能得到本質(zhì)提高，異步電機(jī)速度控制環(huán)引入了PI調(diào)節(jié)器，這就不可避免地出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象，其主要代表就是積分飽和現(xiàn)象，在速度給定突變時(shí)會出現(xiàn)超調(diào)量大、響應(yīng)慢、抗干擾差等不良動(dòng)態(tài)特性[1]。要抑制積分飽和現(xiàn)象，一種有效的方法是設(shè)計(jì)補(bǔ)償抗積分飽和控制器對PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行優(yōu)化，可以使速度響應(yīng)變快、超調(diào)量變小。

文獻(xiàn)[2]提出一種新型抗飽和PI控制器在PWM整流器中的應(yīng)用，這種新型PI調(diào)節(jié)器的積分項(xiàng)可以根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出是否飽和進(jìn)行單獨(dú)控制，提高電壓控制環(huán)的性能。文獻(xiàn)[3]提出一種具有預(yù)測功能的抗積分飽和PI速度控制器，該策略利用PD預(yù)測功能，根據(jù)其輸出值的符號控制PI控制器的積分方向。

經(jīng)典的PI調(diào)節(jié)器抗干擾能力差，為了消除系統(tǒng)的干擾，設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測器對系統(tǒng)的干擾進(jìn)行估計(jì)及補(bǔ)償，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

文獻(xiàn)[4]提出了一種基于擾動(dòng)觀測器的非線性系統(tǒng)的前饋控制方法，該方法不依賴被控對象的模型。文獻(xiàn)[5]提出了一種用于電壓源逆變器控制的附加型擾動(dòng)觀測器，提高了逆變器輸出的抗干擾性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于擾動(dòng)觀測器和有限時(shí)間控制的永磁同步電機(jī)調(diào)速方法，該復(fù)合控制具有更好的抗擾動(dòng)性能和更優(yōu)越的收斂性能。

為了優(yōu)化異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)性能，本文設(shè)計(jì)了AW控制器和DOB復(fù)合優(yōu)化的PI調(diào)節(jié)器，綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，既能減少系統(tǒng)速度響應(yīng)的時(shí)間和超調(diào)量，也能提高電機(jī)的運(yùn)行性能。

1 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制基本原理

基于抗飽和的異步電機(jī)性能優(yōu)化是針對異步電機(jī)在高負(fù)載運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的飽和現(xiàn)象而提出的一種優(yōu)化方法。通常情況下，異步電機(jī)在高負(fù)載條件下，磁通飽和會導(dǎo)致電機(jī)性能下降、效率降低、溫升增加，這可能會影響電機(jī)的可靠性和使用壽命。因此，基于抗飽和的優(yōu)化方法旨在減輕或消除這種飽和效應(yīng)，從而提高電機(jī)的性能和效率。

常見的基于抗飽和的異步電機(jī)性能優(yōu)化方法包括：

1）磁通控制：通過控制電機(jī)的磁通，可以在高負(fù)載情況下避免磁通飽和。這可以通過調(diào)整電機(jī)的定子電壓、改變電機(jī)的勵(lì)磁電流或改變電機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

2）電流控制：通過優(yōu)化電5cdde1fc06fbd8077467d5353fdafcc0機(jī)的電流控制策略，減少在高負(fù)載條件下的電機(jī)磁通飽和。這可能涉及采用先進(jìn)的控制算法，如矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，以確保電機(jī)運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)。

3）優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)：通過優(yōu)化電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)，可以改善磁通分布，減少磁通飽和的發(fā)生。這可能包括改變電機(jī)的鐵芯材料、改變定子和轉(zhuǎn)子的幾何形狀以及優(yōu)化繞組設(shè)計(jì)等。

4）磁通觀測與估算：實(shí)時(shí)觀測和估算電機(jī)的磁通狀態(tài)，可以幫助控制系統(tǒng)及時(shí)采取措施來減輕磁通飽和效應(yīng)。這可以通過使用傳感器或基于模型的方法來實(shí)現(xiàn)。

5）熱管理：有效的熱管理可以幫助減少電機(jī)在高負(fù)載條件下的溫升，從而減輕磁通飽和效應(yīng)。這可能包括采用更好的散熱設(shè)計(jì)、提高繞組的絕緣性能以及優(yōu)化工作環(huán)境等。

忽略系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩阻尼和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩時(shí)，按轉(zhuǎn)子磁場方向構(gòu)建的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程（轉(zhuǎn)子磁場定向下的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為MT坐標(biāo)系）分別如下[7]：

式中：usM、usT為定子M、T軸電壓;ψr、ψrM、ψrT為轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子M、T軸磁鏈;ωs、ωsl為電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)角速度及轉(zhuǎn)差角速度;isM、isT、irM、irT為定子M、T軸電流及轉(zhuǎn)子M、T軸電流;Rs、Rr為定、轉(zhuǎn)子電阻;Ls、Lr、Lm為定子電感、轉(zhuǎn)子電感和定轉(zhuǎn)子間互感;Te、TL為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩;np為磁極對數(shù);wr為負(fù)載角速度;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;p、t為微分算子和時(shí)間。

由式（1）（2）及電機(jī)理論得：

2 AW控制器和DOB復(fù)合優(yōu)化的PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

在異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)的PI控制器會產(chǎn)生windup現(xiàn)象（由于電機(jī)輸入飽和而產(chǎn)生的系統(tǒng)超調(diào)和遲鈍現(xiàn)象），且易受干擾，AW控制器和DOB復(fù)合優(yōu)化的目的是提高系統(tǒng)的性能。

2.1 AW控制器的設(shè)計(jì)

AW控制器的算法有3種：條件積分法、反饋計(jì)算法和變結(jié)構(gòu)法。變結(jié)構(gòu)法是條件積分法和反饋計(jì)算法的結(jié)合，綜合利用了兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了兩者的不足。

原理如下：當(dāng)限幅使控制器的輸出與被控對象的輸入不等時(shí)，將二者的差作為反饋信號來消除飽和誤差，抑制積分windup現(xiàn)象;當(dāng)控制器中無windup現(xiàn)象時(shí)，控制器退為普通PI控制器。變結(jié)構(gòu)AW控制器優(yōu)化的PI調(diào)節(jié)器既可以用傳統(tǒng)控制理論設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，又可以有效抑制windup現(xiàn)象，有效減少超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。

積分控制如下：

Iswitch=ki·e， un=us，

ki·e+kc·（us-un），un·e>0，un≠us （6）

式中：un和us分別為限幅前控制器的實(shí)際輸出和限幅后控制器輸出;kc為補(bǔ)償系數(shù)。

2.2 DOB的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)DOB將實(shí)際系統(tǒng)輸出與名義模型輸出的差作為一個(gè)等效干擾，再將觀測出的等效干擾作為補(bǔ)償反饋到輸入端[8-10]。基于速度信號的DOB的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由原理框圖可知，虛線框內(nèi)表達(dá)式如下（式中各量均是對應(yīng)的頻率形式）：

uc（s）=[y（s）-us（s）P1（s）]C1（s） （7）

穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系如下：

（8）

式中：n*為參考速度信號。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

采用基于DSP和FPGA的控制器來進(jìn)行異步電機(jī)矢量調(diào)速實(shí)驗(yàn)，交-直-交主電路為：三相自耦調(diào)壓器的輸出接到三相不控整流裝置，整流后通過一個(gè)電容進(jìn)行穩(wěn)壓給逆變器供電，由DSP控制逆變器的驅(qū)動(dòng)信號，逆變輸出的三相交流電和異步電機(jī)的三相定子繞組相連，原理圖如圖2所示。電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

當(dāng)采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器時(shí)，速度響應(yīng)具有很大的超調(diào)量，達(dá)到60%，系統(tǒng)需要7.5 s達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定性差且抗干擾能力弱，如圖3所示;當(dāng)采用AW控制器和DOB復(fù)合優(yōu)化的PI調(diào)節(jié)器時(shí)，參考轉(zhuǎn)速得到完美優(yōu)化，反饋轉(zhuǎn)速的超調(diào)量下降到25%，穩(wěn)定時(shí)間僅需2 s，抗干擾能力較強(qiáng)，如圖4所示。

4 結(jié)論

在異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)中，為抑制積分飽和現(xiàn)象和消除干擾，設(shè)計(jì)了一種由AW和DOB復(fù)合優(yōu)化的傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器。實(shí)驗(yàn)表明，該P(yáng)I調(diào)節(jié)器能夠減少系統(tǒng)速度響應(yīng)的超調(diào)量，縮短系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間，有較強(qiáng)的抗干擾能力。在所設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器控制下，異步電機(jī)的速度環(huán)能實(shí)現(xiàn)較好的跟蹤，且跟蹤誤差小，使系統(tǒng)性能得到了優(yōu)化。所設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器可以用于其他應(yīng)用的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，使用領(lǐng)域廣泛。

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收稿日期：2024-05-07

作者簡介：陳秉禎（1991—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，講師，研究方向：城軌供配電。

基金項(xiàng)目：南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院校青年基金Yq220013項(xiàng)目支持