交流電動機的無源性控制與擾動抑制技術(shù)

時間：2023-03-16 10:13:18 電子信息工程畢業(yè)論文我要投稿

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　　摘要：隨著交流電動機被廣泛運用在各式各樣的領域中，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，屬于復雜系統(tǒng)，交流電動機自適應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。基于電機端口的受控研究，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。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)絡控制等復雜控制也逐漸被應用起來。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 感應電動機的無源性控制原理

　　感應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控制的基礎上，采用L2增益控制方式設計控制器，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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