直接转矩变结构控制的无速度传感器交流感应电机系统

肖海峰，贺昱耀，李 凯

(1．西北工业大学，陕西西安710072;2．西安航空学院，陕西西安710000)

0引 言

高精度、无速度传感器交流感应电机控制技术是现代交流调速系统的发展方向，各国学者对此也做了大量的研究工作并取得很大的成就［1-6］。但其依然存在许多问题，如需要设计更高控制精度的控制器;控制策略的鲁棒性难以满足模型非线性和外界扰动对系统稳定性的要求;状态观测误差受电机参数变化影响较大等。目前，应用广泛的直接转矩控制技术存在转矩、磁链及电流脉动大的缺点。因此，如何提高感应电机宽调速范围下的精确、鲁棒控制仍需要做大量的研究工作。

滑模变结构控制是一种针对非线性系统的高频、高效开关控制策略，其控制过程不依赖于精确的系统参数，且具有良好的鲁棒性特点，已被应用到调速领域中［1-4］，但应用该策略的控制器仍然存在抖振问题。类似于滑模变结构控制，直接转矩控制也具有良好的动态响应能力，同样也存在转矩脉动缺陷，且开关频率不恒定。文献［5］提出了直接转矩与空间矢量调制相结合的策略使开关频率保持恒定，有效降低了转矩脉动，但系统鲁棒性能难以满足高精度控制要求。状态观测器是无速度传感器交流感应电机控制策略的重要组成部分，其鲁棒性和观测误差直接影响电机的控制性能。文献［7］针对感应电机提出全阶自适应磁链、定子电阻观测器，但其运算相对复杂，观测误差较大。文献［8］提出了速度自适应滑模观测器，该观测器不需要确切的电机参数，因此具有良好的鲁棒性能，但观测器模型中含有转子速度分量，观测误差较大。

针对上述问题，本文提出直接转矩控制与滑模变结构控制相结合的方式，通过设置适当的控制增益，可以实现线性控制与滑模开关控制的平衡关系，以满足调速系统的暂态及稳态控制过程，使系统保留了传统直接转矩的动态响应能力;同时，设计不含转子速度分量的滑模观测器，用于磁链及转矩估计。仿真结果验证了该控制策略的正确性。

1交流感应电机变结构-直接转矩控制

1．1感应电机模型及电压矢量解耦

在感应电机定子磁链参考坐标系下，电压平衡方程:

式中:us、is、ψs、Rs、ωψs分别为定子电压、定子电流、定子磁链矢量、定子电阻和定子磁链角速度。

由电压平衡方程及转矩方程得:

可知转矩控制实现了完全解耦，即定子q轴电压分量决定转矩大小。

由此可得d轴电压分量:

定子磁链矢量的大小和方向随着d轴电压矢量的变化而变化。因此，通过选择正确的电压矢量序列可使定子磁链矢量沿正确的预定轨迹运行，同时实现转矩的控制。

1．2滑模变结构直接转矩控制器

基于无速度反馈的滑模变结构直接转矩控制(VSC-DTC)结构框图，如图1所示。系统的控制环节主要由定子磁链定向和定子磁链控制组成，控制量包括电磁转矩Te和定子磁链ψs，而速度环PI调节控制器的输出作为参考转矩，速度给定值决定参考磁链的大小。

图1 滑模变结构直接转矩控制策略

结合空间矢量调制技术，在一个控制周期内，调节器的输出决定适当的电压矢量以及矢量作用的时间，并由此生成的开关表控制逆变器的输出电压。磁链、转矩控制器包括滑模控制和线性控制两部分，该控制器不仅具有线性控制的平滑特性，而且利用了滑模控制鲁棒性强的特点，减小控制器对模型参数的依赖以及外部扰动对控制器的干扰。

因此，在定子磁链参考坐标系下，参考电压:

式中:KP_ψ、Kl_ψ、KP_T、Kl_T分别为磁链、转矩 PI 调节器增益;Kvsc_ψ、Kvsc_T为滑模控制增益。

在电机调速的过渡过程，设线性变结构控制器满足:

此时，控制器的输出主要由线性控制(PI)部分决定。反之，在电机运行的稳态过程，磁链、转矩误差较小，该控制器的输出由滑模开关控制决定。通过设置适当的增益，可以实现线性控制与滑模开关控制的平衡关系，以满足调速系统的快速、精确控制。通常Kvsc_ψ、Kvsc_T的取值尽可能大，以提高系统的抗扰动能力。

为了确保系统具有快速的动态响应和鲁棒性，令磁链ψs为常量，设系统实现精确的状态估计，则由式(2)、式(5)、式(6)可得转矩、磁链方程:

2定、转子磁链滑模观测器设计

在时变感应电机模型中，通常采用自适应或滑模全阶观测器［6-7］，这些观测器可以在某一坐标系下实现状态变量的估计，但至少存在一个与电机转子速度相关的模型方程，即状态变量的观测精度依赖于转子速度估计误差。如采用数字技术实现观测器，转子速度估计将会滞后于状态观测一个控制周期，而速度估计值易受到误差累积、噪声和延迟等因素的影响，当带有较大误差的速度估计值反馈到磁链观测器，将使磁链、速度估计值进一步恶化，系统性能因此变得更差。

根据上述分析，在某一坐标系下分别取定子磁链、转子磁链作为状态变量(ψds、ψqs、ψdr、ψqr)，定子电流作为输出(ids、iqs)，该坐标系的角速度为ωe，其电机模型的状态方程如下:

式中:k1、k2、k3、k4分别为观测器增益。

定子电流估计方程:

由此可知，同时在两个不同的坐标系下设计的磁链观测器彻底消除了与电机转子速度的联系，因此观测器的精度不受转子速度估计误差的影响。

为了消除定子阻值变化对观测器的影响，采用式(16)对定子电阻进行在线辨识以减小磁链观测误差。

式中，增益γ取值偏大将影响电阻辨识响应速度，但可有效抑制观测器振荡，由于阻值变化较慢，因此取增益γ≈0．8较为适宜。

3仿真及实验结果分析

3．1系统仿真分析

为了验证本文控制方法及观测器的有效性，现对交流感应电动机控制系统进行仿真。所采用的电机参数:额定功率3．7 kW，额定转速1 750 r/min，定子电阻 1．115 Ω，转子电阻 1．008 Ω，定、转子电感0．005 974 mH，极对数为2，转动惯量0．02 kg·m2，摩擦系数0．005 752 N·m·s。设定转子速度为500 r/min，电机空载起动，在0．8 s时负载为5 N·m，1．2 s时负载为 -5 N·m。

电机定、转子磁链观测及转矩观测曲线如图2所示。由此可知，定、转子磁链及转矩滑模观测器具有较高观测精度，且对负载的突变具有良好的跟踪性能。当电机空载稳定运行速度为500 r/min，突加负载5 N·m，此时过渡瞬间转矩的突变不超过给定转矩的20%，且转矩过渡响应时间不超过0．03 s，转矩响应如图3所示。若负载从5 N·m突变至-5 N·m，转矩响应瞬间的变化量也不差过给定负载转矩的30%。可见，该控制器具有较强的抗负载扰动能力。在相同负载条件下，变结构直接转矩控制比传统直接转矩控制具有更快的速度响应能力，如图4所示，电机负载为5 N·m且转速稳定，突加-5 N·m负载，此时传统直接转矩控制下的转速脉动值超过10 r/min，而采用本文控制策略，其转速扰动值小于4 r/min。

图2 定、转子磁链及转矩观测曲线

图3 转矩响应曲线

图4 负载突变下转速响应曲线

3．2 实 验

根据图1的控制策略构建系统，整个控制系统是采用基于TMS320F2812 DSP芯片的调速实验平台，对该控制策略及磁链观测器进行验证实验分析，感应电机为2．0 kW，当给定转速为500 r/min，负载力矩为2 N·m，通过示波器得到电机稳定状态下的A、B相电流波形，如图5所示，电机运行平稳。

轻载条件下，电机转速从600 r/min突变到1 000 r/min，电流波形如图6所示，系统大约在60ms后趋于稳定，转矩响应迅速。

由仿真及实验可知，定子磁链观测器的设计及电机控制方法是合理可行的，且能够满足交流感应电机动态及稳态性能。

图5 稳态时A、B相电流波形

图6 动态时A、B相电流波形

4结 语

本文针对无速度传感器的交流感应电动机调速系统，提出了直接转矩控制与变结构控制相结合的新型策略，即采用线性滑模控制作为转矩、磁链调节方式;同时，设计的定、转子磁链估计观测器不依赖于转子速度分量，具有良好的鲁棒特性。理论分析和仿真结果证明了该方法具有控制精度高、鲁棒性强、动态响应快等特点。

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