基于自適應變結構控制的異步電動機驅動器

許 勝 輝

(武漢職業技術學院 電信學院, 湖北 武漢 430074)

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基于自適應變結構控制的異步電動機驅動器

許 勝 輝

(武漢職業技術學院 電信學院, 湖北 武漢 430074)

描述了一種新的控制異步電機驅動系統設計方法。這種控制方法是一種基于自適應變結構的設計。自適應變結構控制器是基于遺傳數學算法模型的優化方法系統模型。這種方法簡單,易于實現。仿真和實驗結果表明,該自適應變結構控制器在性能的動態特性方面,有較強的魯棒性，改變了電機轉速和負載的擾動。

變結構控制； 交流感應電機； 驅動； 遺傳算法

0 引 言

采用快速的數字處理器矢量控制為電力設備提供了實時控制的可能性,即實現高效異步電動機調速控制。許多控制應用是基于矢量控制的,但只有很少涉及提高控制器結構性能的[1-2]。傳統的比例積分PI控制器,采用經典控制理論設計,適合典型的線性控制過程模型。然而,絕大多數的系統一般為非線性關系,是很難實現的模型[3-4]。通過線性控制理論設計PI控制達到所需的帶寬和干擾需調整它們的參數。一個精確的電機控制需調整設置參數。但有時條件無法滿足,因為有些參數不可預知或隨著操作時間而變的。為避免這類問題的發生,不同的非線性控制策略提出了改進方法[5-8]。一種基于人工智能控制系統結構,如人工神經網絡和模糊、變結構控制器(萬順昌)的過程控制等[9-11]是一個較好的解決方案。

變結構系統本身是在處理系統中的不確定性, 即使在快速變化的電機的參數也能使性能優良。許多研究人員[1-11]對變結構系統的理論和滑動模態進行了研究。構成了萬順昌基本原理, 根據控制命令執行系統在規定的狀態空間的運動。即它的魯棒性,總稱為動態特性參數的變化。

本文采用萬順昌遺傳算法對異步電機驅動速度進行控制。萬順昌控制器的特點是在常規變結構速度控制不了的情況下, 利用速度信號提出了eleration信號的控制律。這種方法的特點是利用遺傳算法速度信號控制算法,提高瞬態響應。此外,這個系統還有魯棒性和指數收斂速度的控制。最后,通過仿真和實驗結果進行驗證。

1 變結構控制算法

萬順昌算法可應用到一個矢量控制的異步電機驅動。在一個滑動模式控制中需將參考模型的形式儲存在一個預定義的相平面,系統反饋并跟隨或沿軌道切換其控制算法[1]。

如上述的滑模變結構控制設計對滑模平面和滑動的十字線的定義。在跨越滑線時,它將能穿越無限次。本文中,采用矢量控制的任務就是得到一個收斂的電機轉速。這一目標就是調速系統方程。建立的矢量控制和速度控制器,如圖1所示。

電機轉速和它之間參考及推導變形可得如下:

(1)

(2)

所以,控制系統的動態特性可改為圖2。

(3)

其中，a=-B/J，b=3p/2。Lm/Lr是一種反饋增益；(a+bk)是固有參數。

利用滑模速度控制器設計[2]的切換面與不可分割的組成部分。得：

(4)

由方程(3)可見：速度誤差收斂到零，指數呈無限大。因此超調不會發生。而該系統的動態特性為一種狀態反饋系統。

基于開關控制律來滿足上述條件和滑模的動態行為，故變結構速度控制器的設計為：

(5)

圖1 矢量控制和速度控制器控制系統

因此,滑摸動態特性可由方程(3)導出,并用ωerr(t)跟蹤滑膜誤差收斂到零的指數。由轉矩電流可得方程(5)。

2 萬順昌遺傳算法

萬順昌遺傳算法改進了遺傳算法的實時性并實現在線調節，它可提高感應電機驅動系統[12-15]的控制性和魯棒性。

(a) 無負載轉矩速度響應

(b) 定子電流波形

(c) d-q軸電機定子電流波形

(d) 轉矩響應

考慮的公式(5)。該控制系統性能設計對參數的k和β等進行了探討。參數k決定斜坡滑線,因此,它將提高控制系統的響應速度。但過大會導致不穩定。它可適應不同坡度,如坡度增大了誤差卻越小[1-2,15]。

設計一個β參數、性能良好的系統。當β大的系統的狀態及滑線時間較短。然而,β小，系統的狀態及滑線需較長時間。“大”或“小”值都可取。故,我們需一個β值,通過遺傳算法選擇合適的參數β，且當β增加接近滑移線絕對值的速度誤差，滑動作用的S(t)和實際控制輸入作為輸入變量。它的輸出是用β和k來達到調整的目的。

3 仿真結果分析

為了驗證所提出的自適應控制方法對異步電動機調速性能，模擬了一臺標準的1.5HP,220/380 V,50 Hz,4-poles的異步電機。圖4顯示了遺傳算法優化萬順昌算法對矢量控制感應電動機驅動系統。模擬的自適應遺傳算法是基于實時趨近的。

(a) 速度響應

(b) 定子電流

(c) d-q軸定子電流

(d) 轉矩響應

圖4(a)表示模擬電機速度為100 rad/s。為速度響應。它出現穩態值,大約收低0.14 s。圖4(b)為三相異步電動機定子電流波形,開始和穩定的狀態。圖4(c)為定子電流波形的d-q軸。注意到它們之間的夾角是近90°和幾乎是正弦波。圖4(d)為電機的轉矩響應。在模擬試驗的基礎上,為控制系統在100 rad/s下的速度響應和負載轉矩響應。

圖5為模擬電機響應,即電機加載5 N·m/s, 速度150 rad/s。圖5(a)為它的速度響應,穩態值大約0.23 s。圖5(b)為定子電流波形的穩態,幾乎是正弦波。圖5(c)為定子電流波形,在d-q軸之間的夾角是近90°。系統響應為近正弦d-q軸定子電流。擾動降低。電機轉矩響應見圖4(d),顯見,轉矩的響應是相當不錯的。速度調節器能及時發現的振動的變化值。在諧波存在時,該系統具有較大的時常。此時,扭矩在0.23 s急劇增大,這是由于滑動速度,即此系統達到穩態時約0.23 s。

(a) 速度響應

(b) 三相電機定子電流

(a) 速度響應

(b) 三相電機定子電流

該系統在另一種類型的操作(變化)，即電機轉速運行在速度為100 rad/s,0.5 s,然后增加到150 rad/s如圖5(a)所示。電機轉速迅速增加,這是由于滑動速度更高的開始。它穩態運動速度約收低0.14 s。顯見,電機速度得到有效控制。圖5(b)為三相異步電動機的定子電流波形。

模擬控制器調速如圖6所示。電機運行速度為150 rad/s命令,0.5 s,然后減少到100 rad/s參看圖6

(a)。在瞬間的階躍變化,穩態運動速度達到約0.23 s，圖6(b)為三相電機定子電流波形。

4 結 語

本文給出了一種新的控制異步電機驅動系統設計方法，它利用了遺傳算法，改善了電機的控制性能,是一種自適應對異步電動機的控制技術。目的為了更新自適應變結構控制器的控制性能。在實現異步電動機調速系統的自適應遺傳算法的基礎上，并通過仿真和實驗結果驗證了該方法的有效性。該方法的優點為穩態誤差小、響應快、超調量小和抗干擾。

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Induction Motor Driver Based on the Adaptive Variable Structure Control Technique

XUSheng-hui

(Department of Electronic Information Engineering, Wuhan Polytechnic, Wuhan 430074, China)

This paper describe a new design method of controling induction motor driver system, and which is a based on the adaptive variable structure. The adaptive variable structure control driver is an optimization methods system model based on the genetic algorithm model. This method is simple and easily applied. Simulation and experimental results show that the adaptive variable structure controller have strong robustness in providing high performance dynamic characteristics with rapid response, high steady precision, small overshoot, and anti-interference.

variable structure control; AC induction motor; driver; genetic algorithm

2015-03-09

國家自然科學基金項目(5100702)

許勝輝(1966-)，男，湖北鄂州人，碩士，副教授，主要研究方向為自動控制技術。

Tel.：027-87767776，13098870566；E-mail:xsh0566@sina.com

TM 921

A

1006-7167(2015)11-0086-04