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交流電動機的無源性控制與擾動抑制技術(shù)
摘 要:隨著交流電動機被廣泛運用在各式各樣的領(lǐng)域中,交流電動機的控制技術(shù)就受到大家的重視。作為一種非線性的系統(tǒng),交流電動機具有高階、強耦合、參數(shù)時變等特點,屬于復(fù)雜系統(tǒng),交流電動機自適應(yīng)擾動抑制方法與其無源性控制相結(jié)合,使得電動機的實際仿真效果、外部擾動環(huán)境下穩(wěn)定等性能都較高,因此,交流電動機的無源性控制與擾動抑制技術(shù)作為國內(nèi)外研究的重點。本文就交流電動機的無緣性控制原理、擾動抑制原理展開分析,就其技術(shù)進行研究。
關(guān)鍵詞:交流電動機 擾動抑制技術(shù) 自適應(yīng)控制 無源性控制
交流電動機主要是將交流電的電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種機器,而基于交流電動機的電氣傳動系統(tǒng)被廣泛運用在各行各業(yè)中,這也給交流電動機自適應(yīng)性提出了更大的挑戰(zhàn)。隨著交流電動機被運用在多種多樣的領(lǐng)域中,其具有的高階、多變量以及強耦合、參數(shù)時變等非線性系統(tǒng)特征表現(xiàn)得非常明顯;陔姍C端口的受控研究,下文針對目前國內(nèi)外對交流電動機的無源性控制和擾動抑制技術(shù)現(xiàn)狀進行分析,就其原理展開研究。
一、國內(nèi)外對交流電動機控制技術(shù)的相關(guān)研究現(xiàn)狀
1.1 交流電動機速度控制主電路與控制電路
事實上,交流電動機的速度控制主要以大功率電力電子器件為主,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,交流電動機控制理論被廣泛使用,這也給交流電機拖動的開發(fā)提供了良好的環(huán)境和基礎(chǔ)。目前,控制電路主要還是以DSP和單片機為主,電子控制器的數(shù)字化控制發(fā)展使得設(shè)備的性能大大提升,控制算法也得到了進一步的優(yōu)化,模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等復(fù)雜控制也逐漸被應(yīng)用起來。作為電機調(diào)速的重要組成部分,智能功率模板成為了新一代的主控電路,通過將功率開關(guān)期間和驅(qū)動電路進行集成,內(nèi)設(shè)過電壓、過電流等故障檢測電路,將檢測信號傳輸?shù)紺PU中。它由高速低功耗的管芯與優(yōu)化門極驅(qū)動電路、快速保護電路等部件構(gòu)成,能夠在發(fā)生負載事故或者使用不恰當時,也能保證智能功率模塊安全穩(wěn)定運行。
1.2 交流電動機的控制策略
早前的交流傳動屬于不可調(diào)傳動,而隨著電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展,交流可調(diào)傳動也逐漸開始廣泛起來。常用的穩(wěn)態(tài)模型控制方案主要由開環(huán)恒V/F比控制、閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制等。且前者是一種開環(huán)的控制方式,與變壓變頻控制不同,其不對速度進行反饋控制,而閉環(huán)轉(zhuǎn)差屬于直接轉(zhuǎn)矩控制,因其實現(xiàn)了對電動機轉(zhuǎn)矩的控制,從而擁有較強的動態(tài)性能,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差也較小;诮涣麟妱訖C動態(tài)模型的控制方法分為矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種,矢量控制實現(xiàn)了磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦,可以進行獨立控制,而直接轉(zhuǎn)矩控制的計算量小、靜態(tài)和動態(tài)性能優(yōu)良。
1.3 交流電動機非線性控制方法
前面說到,交流電動機是一種非線性的對象,而無論是矢量控制還是直接轉(zhuǎn)矩控制,都不能很好的對其動態(tài)過程進行描述。所以自適應(yīng)控制、反饋線性化控制以及滑膜變結(jié)構(gòu)控制等都為電動機的非線性控制提供了方式。自適應(yīng)控制研究對象具有一定的不確定性,包括描述被控對象、環(huán)境數(shù)學模型的不確定性,以及一些未知因素和隨機因素。這些不確定性有時是在系統(tǒng)內(nèi)部,而有時卻在系統(tǒng)外部發(fā)生。從內(nèi)部來講,描述被控對象的數(shù)學模型起結(jié)構(gòu)與參數(shù)就具有很大的不確定性,而這種基于數(shù)學模型的控制方法在電動機自適應(yīng)控制中得到了很好的發(fā)揮。反饋線性化控制的整體較為精確,適合系統(tǒng)的整個分析域;ぷ兘Y(jié)構(gòu)控制能偶使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時變化的開關(guān)特征,但當系統(tǒng)再不同滑膜軌跡中時,頻率切換可能伴隨著高頻的抖動。
二、交流電動機的無源性控制原理分析
2.1 系統(tǒng)無源性
無論是哪種機械系統(tǒng),如果沒有外界能量加以支持,其動能與勢能之和總是趨近于零的,且其系統(tǒng)速度、位移也是趨向于零的。簡單了說,系統(tǒng)穩(wěn)定時,如果缺少外界能量注入,系統(tǒng)指揮消耗能量,而這種能量不可能放大,而只要停止向外界或者內(nèi)容注入能量,系統(tǒng)的能量之和必將趨近于零,以此來達到穩(wěn)定的狀態(tài)。對于非線性系統(tǒng)來說,公式中,u、y分別表示尾數(shù)相同的系統(tǒng)輸入與輸出,其中f(0)=0,h(0)=0.
另外,系統(tǒng)的無源性還是反應(yīng)電機在運行過程中所消耗的能量特征。對于一般的能量供給量來說,考慮s(u,y)為單位時間內(nèi)以外不注入能量為輸出輸入信號函數(shù),那么耗散的計算方法則為:
v(x(T))-v(x(0))≤
2.2 能量成形與無源性
因考慮到電機系統(tǒng)的能量成形與無源性,通過成對的變量uRm、yRm與外界相連,其結(jié)果滿足能量平衡方程。
H[x(t)] H[x(0)] =
該方程表示系統(tǒng)存儲的能量與外界供給能量和系統(tǒng)耗散的能量差相等。而公式中的H(x)表示訥訥過量存儲函數(shù),xRn表示狀態(tài)向量,d(x(t),t)表示具有耗散效應(yīng)的非負函數(shù)。滿足能量平衡方程式的系統(tǒng)屬于無源性控制系統(tǒng),且H(x)≥c,此時的c就表示能量函數(shù)的下界,y則表示無源輸出。具體如圖1所示。
2.3 感應(yīng)電動機的無源性控制原理
感應(yīng)電動機是交流電動機非線性、多變量以及強耦合特點表現(xiàn)明顯的一個典型,近年來,隨著非線性控制理論深入廣泛的研究,使得感應(yīng)電機控制成為主導潮流。為了克服反饋線性化、無源性控制等需要考慮奇異點的問題,無源性控制利用輸出反饋使得電機閉環(huán)系統(tǒng)表現(xiàn)為無源映射,從上面所提到的電機能量方程入手,采用不影響其穩(wěn)定性的無功力簡化控制器設(shè)計。此時,坐標的變化并不影響系統(tǒng)的無源性,所以,選擇不同的輸出函數(shù)與能量函數(shù),設(shè)計出多種無源性控制,來實現(xiàn)對系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性控制。
三、交流電動機的自適應(yīng)L2擾動抑制控制技術(shù)
進行交流電動機調(diào)速時,常常會遇到因負載轉(zhuǎn)矩存在擾動或者電機參數(shù)時變等因速度影響電動機的調(diào)速。此時,如果僅僅適應(yīng)狀態(tài)誤差PCH控制方法,往往達不到理想的效果,而采用無源性控制與自適應(yīng)L2擾動抑制技術(shù)結(jié)合的方式,能夠有效提高控制效果,達到所需性能要求。在電動機負載擾動但參數(shù)無變化的情況下,利用L2增益擾動抑制和狀態(tài)誤差PCH控制結(jié)合可以推算出速度控制器;而當發(fā)生負載轉(zhuǎn)矩存在擾動或者電機參數(shù)時變是,就要通過自適應(yīng)L2擾動抑制和狀態(tài)PCH相結(jié)合的頒發(fā)來求得速度控制器。
當系統(tǒng)無緣時,供給量s(u,y) = yTu就是耗散的,因此系統(tǒng)的供給量就是s(u,y) = γ22-2是耗散的,此時γ為整數(shù),那么就說無源系統(tǒng)有小于整數(shù)γ的L2增益。
針對異步電動機傳動系統(tǒng)而言,通過建立異步電動機端口受控哈密頓系統(tǒng)模型,來構(gòu)建閉環(huán)狀態(tài)誤差PCH系統(tǒng)。在互聯(lián)和阻尼配置能量成形方法的基礎(chǔ)上得到負載轉(zhuǎn)矩恒定控制器,如果想要單純依靠這些方法來控制系統(tǒng)是不可能的。針對異步電動機傳動系統(tǒng)中的負載轉(zhuǎn)矩存在的擾動問題,我們通過在異步電動機PCH控制的基礎(chǔ)上,采用L2增益控制方式設(shè)計控制器,對負載轉(zhuǎn)矩擾動進行抑制,同時這種方式也能很好的消除穩(wěn)態(tài)誤差引入PI控制。根據(jù)相關(guān)仿真結(jié)果顯示,所提出的這種控制方式,具有高效的轉(zhuǎn)速跟蹤性能和負載擾動抑制功能,是異步電動機現(xiàn)代非線性控制的一種有效途徑。
而對于永磁同步電動機而言,針對PMSM速度控制負載擾動及參數(shù)時變的問題,可以利用狀態(tài)誤差PCH控制原理來設(shè)計系統(tǒng)速度控制器。與此同時,結(jié)合永磁同步電動機狀態(tài)誤差PCH控制,通過自適應(yīng)L2增益擾動抑制功能,對負載轉(zhuǎn)矩及參數(shù)時變擾動進行抑制。仿真結(jié)果顯示,利用L2擾動抑制技術(shù)可以有效的抑制系統(tǒng)負載擾動,在PMSM定子電感、電阻變化情況下,也可以使用自適應(yīng)L2擾動抑制控制技術(shù),減少電機參數(shù)時變和負載擾動帶來的影響,進一步加強對電機轉(zhuǎn)速的控制。
四、結(jié)束語
隨著交流電動機的運用越來越廣泛,怎樣有效的控制電機成為了領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的焦點。本文介紹了交流電動機的無源性控制和擾動抑制技術(shù),利用公式和仿真結(jié)果證明了無源性控制與能量成形的關(guān)系,并得出L2擾動抑制技術(shù)可以有效的抑制系統(tǒng)負載擾動。
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