基于滑模变结构矢量控制的异步电机调速
黄志 程小华
华南理工大学电力学院,广东广州(510640)
摘 要 针对异步电机矢量控制系统因电机参数变化和负载波动等因素使调速性能变差的问题,在转差频率控制的异步电机矢量控制系统的基础上,用两个滑模变结构控制器代替传统的PI控制器分别控制d轴和q轴的电流,并采用电压空间矢量技术来调节电机的输入电压,达到调速的目的。仿真结果说明,文中所提出的控制方式与传统的PI控制方式相比较,具有响应速度快,控制精度高,对负载波动和电机参数变化具有较强的鲁棒性。
关键词 滑模变结构控制 磁场定向 转差频率
中图分类号TM301. 2 文献标识码A 文章编号1008-7281(2007)02-0014-04
引言
感应电动机结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠,效率也比直流电动机高,是工农业生产中应用最广泛的一种电机。但与直流电动机相比,调速性能相对来说不是很理想,转矩控制要困难得多。直到1971年,德国的F.Blaschke提出了矢量控制理论一举奠定了磁场定向旋转矢量控制的基础,才很好地解决了上述问题。该理论的基本出发点是,考虑到感应电动机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统[7],很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩,但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标,应用坐标变换将三相系统等效为两相系统,再经过按转子磁场定向的同步旋转变换,则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来,分别进行控制。那么通过坐标变换重建的感应电动机模型就可等效为一台直流电动机,从而进行方便快速的转矩和磁通控制,这样就具有了与直流电动机同样优良的调速特性[1]。
但是,感应电机的参数尤其是转子回路电阻是时变的,因此它们的测定值与实际值之间往往存在一定的偏差,且由于电机参数受温度、磁饱和以及运行频率的影响,磁通调节依赖于电机的参数,导致了转矩和磁通的稳态误差和瞬态振荡[3]。
变结构控制方法对参数变化和外来干扰具有良好的鲁棒性,动态响应快,并且易于设计和实现[4, 5, 6]。本文提出一种基于转差频率滑模变结构的感应电机速度调节方法,通过两个滑模变结构控制器分别控制d轴和q轴的电流,采用空间电压矢量技术来调节电机的输入电压,可以稳定、快速和准确的实现异步电机调速。
2 电机模型
假设磁路是线性的,忽略铁损的三相鼠笼式异步电机在d-q坐标系下的4阶非线性模型如下
从式(6)中我们可以看到d轴和q轴之间的基于磁场定向的异步电机矢量控制系统的定子电流存在高阶耦合,这也是提高电流控制性能的主要障碍。
3 滑模控制器的设计
3.1 滑模控制原理
滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略。这种控制策略与常规控制策略的根本区别是在于控制的不连续性,即是一种使系统“结构”随时间变化的开关特性。该控制可以迫使系统在一定特性下沿状态轨迹作小幅、高频率的上下运动,即所谓的“滑模”运动。这种滑模运动是可以设计的,且与系统参数及扰动无关,这样,处于滑模运动的系统就具有很好的鲁棒性[2]。
3.2 滑模控制器的设计
我们提出新的电流控制的方法称为滑模变结构电流控制器,如图1所示。
从图3中(1线为SMVSC控制的仿真曲线, 2线为PI控制的曲线,以下同)可以看到,滑模变结构控制系统上升时间比(0. 25s)常规的PI控制器控制的系统的上升时间(0. 3s)短,且没有超调,保持了良好的静动态性能。
从图4可以看到带相同负载启动时,常规的PI控制器控制的系统的稳定速度(1 390rpm)要比设定的参考速度(1 400rpm)低,达不到参考速度,而SMVSC控制器控制的系统的稳定速度(1400rpm)更接近设定参考转速,即SMVSC控制的系统可比PI控制的系统带更大启动的负载。
从图5可以看到在电机稳定运行的状态下,突加相同的负载扰动, SMVSC控制的系统比PI控制的系统具有更小的转速变化,更快的恢复到扰动前的转速(SMVC: 0. 15s; PI: 0. 22s),即SMVSC控制系统比PI控制系统对转矩扰动具有更强的鲁棒性。
从图6可以看到,转子电阻增大20%,电机的响应速度也随着减小(SMVC响应速度0. 4s;PI响应速度0. 5s),稳态速度也受到影响(SMVC稳态速度1 400rpm;PI响应速度1 385rpm),但是对SMVSC控制的系统的影响明显要比PI控制的系统的影响小,即SMVSC控制系统比PI控制系统对电机参数(转子电阻的变化)扰动具有更强的鲁棒性。
图6 nref=1 400rpm,无负载,转子电阻增大20%
5 结论
本文设计的滑模变结构电流控制器跟传统的PI控制器相比,具有反应速度快,调节准确,对电机参数变化和负载干扰有更好的鲁棒性,有优良的调速性能。参考文献
[1] 吕昊,马伟明,聂子玲,揭贵生.磁场定向不准对感应电动机系统性能影响的分析.电工学报. 2005, 20(8).
[2] 刘金琨著,滑模变结构控制MATLAB仿真。北京:清华大学出版社, 2005, 2~3.
[3] 张代红,王明渝.磁饱和及参数变化对速度观测器的影响,重庆大学学报(自然科学版). 2006, 29(3).
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