交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)源性控制與擾動(dòng)抑制技術(shù)

時(shí)間：2024-05-01 10:51:51 電子信息工程畢業(yè)論文我要投稿

相關(guān)推薦

　　摘要：隨著交流電動(dòng)機(jī)被廣泛運(yùn)用在各式各樣的領(lǐng)域中，交流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)具有高階、強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變等特點(diǎn)，屬于復(fù)雜系統(tǒng)，交流電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)擾動(dòng)抑制方法與其無(wú)源性控制相結(jié)合，使得電動(dòng)機(jī)的實(shí)際仿真效果、外部擾動(dòng)環(huán)境下穩(wěn)定等性能都較高，因此，交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)源性控制與擾動(dòng)抑制技術(shù)作為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。本文就交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)緣性控制原理、擾動(dòng)抑制原理展開分析，就其技術(shù)進(jìn)行研究。

　　關(guān)鍵詞：交流電動(dòng)機(jī) 擾動(dòng)抑制技術(shù) 自適應(yīng)控制無(wú)源性控制

　　交流電動(dòng)機(jī)主要是將交流電的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種機(jī)器，而基于交流電動(dòng)機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用在各行各業(yè)中，這也給交流電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)性提出了更大的挑戰(zhàn)。隨著交流電動(dòng)機(jī)被運(yùn)用在多種多樣的領(lǐng)域中，其具有的高階、多變量以及強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變等非線性系統(tǒng)特征表現(xiàn)得非常明顯�；陔姍C(jī)端口的受控研究，下文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)源性控制和擾動(dòng)抑制技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，就其原理展開研究。

　　一、國(guó)內(nèi)外對(duì)交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的相關(guān)研究現(xiàn)狀

　　1.1 交流電動(dòng)機(jī)速度控制主電路與控制電路

　　事實(shí)上，交流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)控制理論被廣泛使用，這也給交流電機(jī)拖動(dòng)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(jī)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(jìn)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(lái)。作為電機(jī)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(dòng)電路進(jìn)行集成，內(nèi)設(shè)過電壓、過電流等故障檢測(cè)電路，將檢測(cè)信號(hào)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(dòng)電路、快速保護(hù)電路等部件構(gòu)成，能夠在發(fā)生負(fù)載事故或者使用不恰當(dāng)時(shí)，也能保證智能功率模塊安全穩(wěn)定運(yùn)行。

　　1.2 交流電動(dòng)機(jī)的控制策略

　　早前的交流傳動(dòng)屬于不可調(diào)傳動(dòng)，而隨著電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流可調(diào)傳動(dòng)也逐漸開始廣泛起來(lái)。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(duì)速度進(jìn)行反饋控制，而閉環(huán)轉(zhuǎn)差屬于直接轉(zhuǎn)矩控制，因其實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，從而擁有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差也較小。基于交流電動(dòng)機(jī)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦，可以進(jìn)行獨(dú)立控制，而直接轉(zhuǎn)矩控制的計(jì)算量小、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良。

　　1.3 交流電動(dòng)機(jī)非線性控制方法

　　前面說(shuō)到，交流電動(dòng)機(jī)是一種非線性的對(duì)象，而無(wú)論是矢量控制還是直接轉(zhuǎn)矩控制，都不能很好的對(duì)其動(dòng)態(tài)過程進(jìn)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(dòng)機(jī)的非線性控制提供了方式。自適應(yīng)控制研究對(duì)象具有一定的不確定性，包括描述被控對(duì)象、環(huán)境數(shù)學(xué)模型的不確定性，以及一些未知因素和隨機(jī)因素。這些不確定性有時(shí)是在系統(tǒng)內(nèi)部，而有時(shí)卻在系統(tǒng)外部發(fā)生。從內(nèi)部來(lái)講，描述被控對(duì)象的數(shù)學(xué)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(xué)模型的控制方法在電動(dòng)機(jī)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(gè)分析域。滑膜變結(jié)構(gòu)控制能偶使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)變化的開關(guān)特征，但當(dāng)系統(tǒng)再不同滑膜軌跡中時(shí)，頻率切換可能伴隨著高頻的抖動(dòng)。

　　二、交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)源性控制原理分析

　　2.1 系統(tǒng)無(wú)源性

　　無(wú)論是哪種機(jī)械系統(tǒng)，如果沒有外界能量加以支持，其動(dòng)能與勢(shì)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(jiǎn)單了說(shuō)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，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(lái)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。對(duì)于非線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(wú)源性還是反應(yīng)電機(jī)在運(yùn)行過程中所消耗的能量特征。對(duì)于一般的能量供給量來(lái)說(shuō)，考慮s(u，y)為單位時(shí)間內(nèi)以外不注入能量為輸出輸入信號(hào)函數(shù)，那么耗散的計(jì)算方法則為：

　　v(x(T))-v(x(0))≤

　　2.2 能量成形與無(wú)源性

　　因考慮到電機(jī)系統(tǒng)的能量成形與無(wú)源性，通過成對(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(fù)函數(shù)。滿足能量平衡方程式的系統(tǒng)屬于無(wú)源性控制系統(tǒng)，且H(x)≥c，此時(shí)的c就表示能量函數(shù)的下界，y則表示無(wú)源輸出。具體如圖1所示。

　　2.3 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的無(wú)源性控制原理

　　感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是交流電動(dòng)機(jī)非線性、多變量以及強(qiáng)耦合特點(diǎn)表現(xiàn)明顯的一個(gè)典型，近年來(lái)，隨著非線性控制理論深入廣泛的研究，使得感應(yīng)電機(jī)控制成為主導(dǎo)潮流。為了克服反饋線性化、無(wú)源性控制等需要考慮奇異點(diǎn)的問題，無(wú)源性控制利用輸出反饋使得電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)表現(xiàn)為無(wú)源映射，從上面所提到的電機(jī)能量方程入手，采用不影響其穩(wěn)定性的無(wú)功力簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì)。此時(shí)，坐標(biāo)的變化并不影響系統(tǒng)的無(wú)源性，所以，選擇不同的輸出函數(shù)與能量函數(shù)，設(shè)計(jì)出多種無(wú)源性控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性控制。

　　三、交流電動(dòng)機(jī)的自適應(yīng)L2擾動(dòng)抑制控制技術(shù)

　　進(jìn)行交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，常常會(huì)遇到因負(fù)載轉(zhuǎn)矩存在擾動(dòng)或者電機(jī)參數(shù)時(shí)變等因速度影響電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。此時(shí)，如果僅僅適應(yīng)狀態(tài)誤差PCH控制方法，往往達(dá)不到理想的效果，而采用無(wú)源性控制與自適應(yīng)L2擾動(dòng)抑制技術(shù)結(jié)合的方式，能夠有效提高控制效果，達(dá)到所需性能要求。在電動(dòng)機(jī)負(fù)載擾動(dòng)但參數(shù)無(wú)變化的情況下，利用L2增益擾動(dòng)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(dāng)發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩存在擾動(dòng)或者電機(jī)參數(shù)時(shí)變是，就要通過自適應(yīng)L2擾動(dòng)抑制和狀態(tài)PCH相結(jié)合的頒發(fā)來(lái)求得速度控制器。

　　當(dāng)系統(tǒng)無(wú)緣時(shí)，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(shí)γ為整數(shù)，那么就說(shuō)無(wú)源系統(tǒng)有小于整數(shù)γ的L2增益。

　　針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)而言，通過建立異步電動(dòng)機(jī)端口受控哈密頓系統(tǒng)模型，來(lái)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(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定控制器，如果想要單純依靠這些方法來(lái)控制系統(tǒng)是不可能的。針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩存在的擾動(dòng)問題，我們通過在異步電動(dòng)機(jī)PCH控制的基礎(chǔ)上，采用L2增益控制方式設(shè)計(jì)控制器，對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)進(jìn)行抑制，同時(shí)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(fù)載擾動(dòng)抑制功能，是異步電動(dòng)機(jī)現(xiàn)代非線性控制的一種有效途徑。

　　而對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)而言，針對(duì)PMSM速度控制負(fù)載擾動(dòng)及參數(shù)時(shí)變的問題，可以利用狀態(tài)誤差PCH控制原理來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)速度控制器。與此同時(shí)，結(jié)合永磁同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)誤差PCH控制，通過自適應(yīng)L2增益擾動(dòng)抑制功能，對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩及參數(shù)時(shí)變擾動(dòng)進(jìn)行抑制。仿真結(jié)果顯示，利用L2擾動(dòng)抑制技術(shù)可以有效的抑制系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)，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(dòng)抑制控制技術(shù)，減少電機(jī)參數(shù)時(shí)變和負(fù)載擾動(dòng)帶來(lái)的影響，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　隨著交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，怎樣有效的控制電機(jī)成為了領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文介紹了交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)源性控制和擾動(dòng)抑制技術(shù)，利用公式和仿真結(jié)果證明了無(wú)源性控制與能量成形的關(guān)系，并得出L2擾動(dòng)抑制技術(shù)可以有效的抑制系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]于海生.交流電機(jī)的能量成型與非線性控制研究[D].山東大學(xué)，2006.

　　[2]王楊.交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)源性控制與擾動(dòng)抑制技術(shù)[D].青島大學(xué)，2013.

　　[3]王孝洪，吳捷，楊金明等.矩陣式變換器電流環(huán)無(wú)源性控制[J].控制理論與應(yīng)用，2008，25(2)：341-343，347.

　　[4]劉進(jìn).異步電動(dòng)機(jī)的PCH控制與L2增益擾動(dòng)抑制技術(shù)[D].青島大學(xué)，2011.

　　[5]侯培言.PWM整流器的無(wú)源性控制與L2擾動(dòng)抑制技術(shù)[D].青島大學(xué)，2014.

　　[6]王孝洪，吳捷，楊金明等.矩陣式變換器電流環(huán)無(wú)源性控制[C].//2007年新能源發(fā)電中控制及電力電子技術(shù)研討會(huì)論文集.2007：138-141.

　　[7]薛花.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)源性控制策略與諧波抑制方法研究[D].上海交通大學(xué)，2009.

【交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)源性控制與擾動(dòng)抑制技術(shù)】相關(guān)文章：

基于無(wú)源性的船舶直線航跡控制設(shè)計(jì)03-07

交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)及控制的研究03-07

選擇性控制技術(shù)在TRT系統(tǒng)中的應(yīng)用03-07