自抗擾應(yīng)用于異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

段小麗 高 新

（1. 晉中學(xué)院，山西 晉中 030060；2. 太原惠特科技有限公司，太原 030006）

自抗擾應(yīng)用于異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

段小麗1高 新2

（1. 晉中學(xué)院，山西 晉中 030060；2. 太原惠特科技有限公司，太原 030006）

在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速系統(tǒng)中，為了解決低速、隨機(jī)干擾、轉(zhuǎn)子電阻變化時(shí)控制性能變差的問題，本文提出在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)中采用自抗擾控制技術(shù)，自抗擾控制器可以對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)擾和外擾，進(jìn)行估計(jì)、補(bǔ)償和控制。異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就能夠不依賴于異步電動(dòng)機(jī)的精確的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了基于自抗擾控制器的調(diào)速系統(tǒng)，并建立了其仿真結(jié)構(gòu)圖。仿真結(jié)果表明：相對(duì)于經(jīng)典的PID控制器，采用自抗擾控制器的系統(tǒng)可以的升高響應(yīng)速度，且超調(diào)量很小，擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)器估計(jì)出來的轉(zhuǎn)速的精度很高，電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)對(duì)其影響小，魯棒性好。

自抗擾控制；直接轉(zhuǎn)矩控制；仿真

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的不斷發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)的性能也不斷提高，異步電機(jī)的調(diào)速方法在實(shí)際中已得到廣泛的應(yīng)用。它主要是基于現(xiàn)代控制理論，依靠精確的數(shù)學(xué)模型加上典型的PID控制，但是由于異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型具有非線性、多變量耦合的特點(diǎn)。高性能的異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)常用矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，但是它們要求系統(tǒng)參數(shù)精確可知。雖然采用滑模變結(jié)構(gòu)控制可以解決魯棒性好難題，抖動(dòng)問題的依然存在。不論何種方法，在電機(jī)速度較低時(shí)，要獲得準(zhǔn)確的電機(jī)速度、位置都是很困難的。另外，傳統(tǒng)的PID控制器要根據(jù)不同的工況來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，這就給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試增加了難度。

經(jīng)過十幾年的研究，中科院系統(tǒng)所韓京清研究員和他的團(tuán)隊(duì)，提出了自抗擾控制器（ADRC）這種非線性控制器。它最大的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)不確定的系統(tǒng)的可以有效的控制。自抗擾控制器是由微分跟蹤器（TD）、擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器（ESO）、非線性組合（NLSEF）三部分組成。自抗擾控制技術(shù)的思想源于經(jīng)典 PID，是基于誤差來抵制或者消除誤差，它是不完全依靠系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的控制律，這是由于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)并補(bǔ)償系統(tǒng)在運(yùn)行過程中受到的各種外部與內(nèi)部擾動(dòng)（負(fù)載擾動(dòng)和電機(jī)本身參數(shù)時(shí)變擾動(dòng)）的總和[1-2]。利用了自抗擾控制器的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合其在其他相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，本文在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)速環(huán)中采用了自抗擾控制算法，以實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的高性能的控制。

1 基于直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是一種新型的交流電機(jī)控制技術(shù)，以其結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注。

實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的過程：通過速度調(diào)節(jié)器，一般采用PI控制器，把電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n與給定轉(zhuǎn)速n*進(jìn)行比較，得到了轉(zhuǎn)矩給定值Te*；磁鏈和轉(zhuǎn)矩估計(jì)器利用定子電流和電壓值可以得到實(shí)際磁鏈的幅值|ΨS|和實(shí)際轉(zhuǎn)矩 Te；轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器利用實(shí)際轉(zhuǎn)矩Te與給定轉(zhuǎn)矩值 Te*的偏差得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào) TQ；磁鏈調(diào)節(jié)器根據(jù)實(shí)際磁鏈幅值|ΨS|與給定磁鏈幅值|ΨS*|幅值的偏差得到磁鏈開關(guān)信號(hào)ΨQ；通過定子磁鏈分量可以得到磁鏈所在區(qū)間信號(hào)SN，這樣，根據(jù)磁鏈開關(guān)信號(hào)ΨQ、轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)TQ和磁鏈位置信號(hào)SN，通過查表的方式得到逆變器開關(guān)信號(hào)Sabc，控制逆變器提供合適的電壓來控制電機(jī)的準(zhǔn)確運(yùn)行，其工作原理圖如圖1所示[3-4]。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖

1.2 基于DTC的調(diào)速系統(tǒng)

異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種高性能交流調(diào)速技術(shù)。它是根據(jù)電壓型逆變器的工作原理，控制定子磁鏈的走走停停，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制，以期獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的速度控制器是采用PI調(diào)節(jié)器，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)的DTC調(diào)速系統(tǒng)

在中高速區(qū)，電機(jī)定子磁鏈軌跡為圓形，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩能準(zhǔn)確、快速跟隨給定值，定子電流曲線是正弦曲線，控制性能良好，系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定。但是在低速區(qū)，由于電機(jī)參數(shù)和額定值有很大的差別，磁鏈軌跡、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、定子電流都發(fā)生了畸變，嚴(yán)重的影響了系統(tǒng)的性能。所以，常規(guī)的PID控制器是根據(jù)不同的工況，參數(shù)要做相應(yīng)的調(diào)整，很難滿足大范圍的速度調(diào)節(jié)需求。本文采用了在速度環(huán)中用自抗擾控制器取代PI控制器的調(diào)速方案。

2 自抗擾控制器

2.1 ADRC原理

自抗擾控制器最顯著的優(yōu)點(diǎn)是適用于不確定系統(tǒng)，通過擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器，直接可以從輸出信號(hào)里面估計(jì)系統(tǒng)的未知內(nèi)擾和外擾，最后在控制律中加以補(bǔ)償。因此，自抗擾控制器具有一定自適應(yīng)功能。自抗擾控制器結(jié)構(gòu)如圖3虛框部分所示，微分跟蹤器（TD）的作用是解決系統(tǒng)輸入不可微，并給出適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)過渡過程。z1(t)，z2(t)是擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器（ESO）對(duì)動(dòng)態(tài)變量的的估計(jì)，z3(t)是ESO對(duì)系統(tǒng)“總擾動(dòng)”實(shí)時(shí)作用量的估計(jì)，反饋量 z3(t)/b0將實(shí)時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)“總擾動(dòng)”。非線性組合（NLSEF）可以非線性加工組合各階誤差信號(hào)。b的估計(jì)值是b0[5]。

圖3 自抗擾控制原理圖

2.2 基于自抗擾控制器的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于非線性跟蹤微分器是一種控制環(huán)節(jié)，它的作用是解決系統(tǒng)輸入不可微，并給出適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)過渡過程，考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜度，暫不采用這個(gè)環(huán)節(jié)，所以，在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，采用一個(gè)一階NLSEF，一個(gè)二階ESO。

最后，得到采用自抗擾控制器的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 基于ADRC的電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

通過上述分析，在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)中用ADRC取代PI，在Matlab 7.0/simulink環(huán)境下，構(gòu)建其仿真結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

仿真采用三相鼠籠型異步電機(jī)，電機(jī)參數(shù)：額定電壓 us=380V，額定頻率 f=50Hz，額定功率 Pn=1.5kW，定子電阻Rs=6.03Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=6.085Ω，定子電感 Ls=0.519H，轉(zhuǎn)子電感 Lr=0.5192H，定轉(zhuǎn)子互感 Lm=0.4893H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.00488kg·m2，極對(duì)數(shù)np=2。

1）低速突加負(fù)載

圖6表示在轉(zhuǎn)速為n=200r/min時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在t=0.3s時(shí)由TL=0階躍到TL=15N·m時(shí)的轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果比較。

圖6 低速突加負(fù)載轉(zhuǎn)速響應(yīng)

從仿真結(jié)果可以看出，在異步電動(dòng)機(jī) ADRCDTC調(diào)速系統(tǒng)中的低速性能比PI-DTC調(diào)速系統(tǒng)有了明顯的改善，動(dòng)態(tài)響應(yīng)無超調(diào)，突加負(fù)載后的動(dòng)態(tài)速降比PI控制的系統(tǒng)要小，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速的時(shí)間也更短。所以，自抗擾控制的系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)低速性能不好的缺陷。

2）轉(zhuǎn)子電阻變化

由于異步電動(dòng)機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)模型的參數(shù)可能會(huì)發(fā)生攝動(dòng)，可以設(shè)轉(zhuǎn)子電阻值為 1.0Ω。這樣就可以模擬電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，例如，由于電機(jī)長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子電阻過熱，阻值變大。圖7表示電機(jī)轉(zhuǎn)速在600r/min時(shí)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果比較。

從仿真結(jié)果可以看出，在PI-DTC調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速超調(diào)量大。但是采用ADRC的系統(tǒng)，無超調(diào)。這是由于ESO能夠及時(shí)有效地觀測(cè)到，由于系統(tǒng)參數(shù)的改變從而引起的模型的改變，并實(shí)時(shí)加以補(bǔ)償和控制。

圖7 轉(zhuǎn)子電阻改變的轉(zhuǎn)速響應(yīng)

3）隨機(jī)干擾

給系統(tǒng)施加了隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的干擾。圖8表示電機(jī)轉(zhuǎn)速在600r/min時(shí)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果比較。

圖8 隨機(jī)干擾的轉(zhuǎn)速響應(yīng)

從仿真結(jié)果可以明顯的看出，采用PI控制器的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)性能非常差，而在ADRC控制的系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速可以較平穩(wěn)的運(yùn)行。自抗擾控制的系統(tǒng)對(duì)于干擾有很好的觀測(cè)和補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

4 結(jié)論

本文在異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中采用了自抗擾控制器，設(shè)計(jì)了在速度環(huán)中采用自抗擾控制器的調(diào)速系統(tǒng)，與常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器相比，自抗擾控制器可以準(zhǔn)確的對(duì)系統(tǒng)模型的擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)、補(bǔ)償、控制，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；同時(shí)由于有非線性組合，有效的解決了響應(yīng)快速性與超調(diào)量之間的矛盾。這是PI調(diào)節(jié)器不能解決的問題。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用自抗擾控制器的系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)控制性能，受隨機(jī)干擾、轉(zhuǎn)子電阻變化的影響較小，魯棒性很好。自抗擾控制器是一種新型的控制器，有關(guān)的理論還在繼續(xù)的研究中，自抗擾控制器的應(yīng)用會(huì)涉及到各個(gè)領(lǐng)域。但是目前的研究僅僅是仿真。如何將仿真付諸于實(shí)踐，直至研發(fā)出來產(chǎn)品，是我們下一步進(jìn)行的工作。

[1] 段小麗. 異步電機(jī)自抗擾控制研究[D].太原：中北大學(xué), 2009.

[2] 陳文文. 船舶航向非線性系統(tǒng)自抗擾控制器的仿真研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué), 2008.

[3] 朱曉碩，綦慧. 基于 DSP的異步電機(jī)改進(jìn)型直接轉(zhuǎn)矩控制研究[J]. 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化, 2007, 34(4): 444-450.

[4] 陳穎，卓菡. 直接轉(zhuǎn)矩控制的改進(jìn)方法[J]. 電力與電工, 2009, 23(3): 32-33.

[5] Thomas M, Jahns, Vadimir Blasko. Recent Advances in Power Electronics Technology for Industrial and Traction Machine Drives[C]. PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL.89, NO. 6, JUNE 2001: 23-25.

Application of Active Disturbance Rejection to Direct Torque Control of Induction Motor

Duan Xiaoli1 Gao Xin2
(1. Jinzhong University, Jinzhong, Shanxi 030060；2. Huite Science And Technology Co., Ltd, Taiyuan 030006)

In order to solve the problem of control performance becomes poor under low speed,random disturbance and rotor resistance variation in the asynchronous motor direct torque control speed regulating system, active disturbance rejection technology was applied to the control system of induction motor direct torque control speed loop is intruduced in this paper, the inner disturbance and outside disturbance can be estimate, compensation and control. The design of the speed regulation system of asynchronous motor can not depend on the precise mathematical model of asynchronous motor, the speed control system based on ADRC is designed, and set the simulation structure is set up. Simulation results show that compared with the classical PID controller, response speed is quick , and overshoot volume is small in the sysem of ADRC, the extended state estimate of the accuracy of speed is high, the motor parameter perturbation is small, the influence of good robustness.

active disturbance rejection; direct torque control; simulation

段小麗（1982-）女，山西臨汾人，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c應(yīng)用。