模糊滑模控制和負載轉矩補償的異步電動機直接轉矩控制

楊本臣， 和敬祥， 曹 留

(遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島 125105)

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模糊滑模控制和負載轉矩補償的異步電動機直接轉矩控制

楊本臣， 和敬祥， 曹 留

(遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島 125105)

針對異步電動機(IM)轉矩脈動以及抗干擾能力差的問題，設計了基于模糊滑模控制(FSMC)與負載轉矩補償的新型直接轉矩控制(DTC)，取代傳統PID速度調節器的是一種滑模控制器。為解決滑模控制器中負載轉矩脈動的問題，用模糊邏輯控制器取代了傳統滑模控制律中的不連續部分,可以明顯降低異步電動機在低速運轉時的轉矩脈動。提出了一種負載轉矩觀測器來估計未知的負載轉矩。負載轉矩觀測器用來估計負載轉矩擾動，估計作為速度環的前饋補償。仿真結果表明：在低速負載轉矩擾動時，該設計具有更好的動態響應和速度性能、更高魯棒性和更強的抗干擾能力。

異步電動機； 直接轉矩控制； 模糊滑模控制； 負載轉矩觀測

0 引 言

異步電動機(IM)因其結構簡單、維護成本低、效率高和可靠性強等諸多優點，被廣泛應用于工業生產領域。然而，由于受未知參數變化與外部負載擾動的影響，嚴重降低了IM的控制性能。直接轉矩控制(DTC)[1,2]是使用最廣泛的控制策略之一，具有快速的動態響應和很強的魯棒性。但在IM穩定運行狀態時，DTC具有明顯的轉矩和磁鏈脈動。因此，許多研究學者們做了大量工作以減少轉矩脈動[3～8]。文獻[4]提出了基于模糊邏輯控制(FLC)的IM的位置控制，具有抗干擾能力強的優點，但是存在很難消除系統穩態誤差和控制精度不高的缺陷。人工神經網絡(ANN)[5]具有計算速度快和自適應、自組織、自學習能力。

然而，復雜的算法使其應用起來很有局限性。滑模控制(SMC)[6]算法簡單、對系統不確定性不敏感，但抖振現象[7]限制了其應用。另一方面，在文獻[8]中，一種負載轉矩觀測器被應用于估計負載轉矩，負載轉矩觀測器可以提高IM的抗干擾能力。

本文將模糊滑模控制器(FSMC)用于減少IM的轉矩脈動,基于滑模控制的負載轉矩觀測器被作為速度環的前饋補償。通過在Matlab/Simulink仿真環境下進行了模擬，證實了控制策略的快速性與有效性。

1 異步電動機數學模型

在文獻[9]的基礎上，三相鼠籠式IM在α-β靜止坐標系中的數學模型如下

(1)

IM的轉子速度為

(2)

式中 τ為電磁轉矩。

IM的轉矩表達式為

τ=npLm(isβirα-isαirβ)=np(λsαisβ-λsβisα)

(3)

式中 irα,irβ分別為α軸和β軸的轉子電流。

2 模糊滑模控制和負載轉矩補償的直接轉矩控制

傳統的直接轉矩控制系統不再重復介紹，請參閱文獻[11]。

圖1 基于模糊邏輯控制與負載轉矩補償的直接轉矩控制原理

3 模糊滑模控制和負載轉矩觀測器設計

3.1 模糊滑模控制器設計

速度誤差定義為

e=ω*-ω

(4)

選擇如下滑模面

(5)

設計滑模控制器

(6)

式中 符號sgn(s)定義為

(7)

k越小，抖動越小。然而，控制系統的軌跡到達滑模面需要經歷很長時間，因此控制器的參數設置是非常重要的。為了獲得較小抖振和快速到達滑模面，模糊邏輯控制器的設計是本文的重大意義。

模糊邏輯控制器的輸入變量為速度錯誤e，輸出變量為k(Δk)。選擇模糊集e和Δk作為{負大，負，零，正，正大}。e和Δk的隸屬度和 {-1，1}。采用的模糊規則如表1所示。

表1 模糊規則

模糊邏輯控制器的輸出為

k～=k0+Δk,k～>0

(8)

式中k0為模糊邏輯控制器的初始值。

模糊滑模控制器為

(9)

定義李雅普諾夫函數為

(10)

從式(2)、式(5)、式(6)、式(10)可以得到

=-k～|s|≤0

(11)

3.2 負載轉矩觀測器設計

(12)

從式(1)可以得出

(13)

負載轉矩觀測器可以設計為

(14)

式中 k1,k2為控制器設計的參數。

由式(13)，式(14)可以得到

(15)

當k1>0，k2>0，根據勞斯判據，可知觀測器是漸漸穩定的。可以得出前饋補償后的負載轉矩為

4 仿真結果分析

仿真系統的參數如下：異步電動機的額定功率為1.5kW；額定電壓為220V；額定電流為3.4A；參考轉速為1 000r/min;極對數為np=2;定子電阻Rs=1.125Ω；定子電感和轉子電感Ls=Lr=0.009H；Rr=2.084Ω；定轉子互電感Lm=0.403 5H;轉動慣量J=0.02kg·m2。仿真結果如圖2～圖6所示。

圖2 基于模糊滑模和負載轉矩觀測器的直接轉矩控制速度響應

圖3 圖2中速度響應縮放圖

圖4 負載轉矩觀測

圖5 傳統直接轉矩控制下的轉矩響應

圖6 基于模糊滑模控制器的直接轉矩控制的轉矩響應

圖2顯示了基于模糊滑模控制與負載轉矩觀測器的直接轉矩控制的速度響應，即在啟動階段，t=0.5 s從1 000 r/min;升至1 100 r/min;的速度階躍變化。圖3是基于模糊滑模控制與負載轉矩觀測器的直接轉矩控制與無負載轉矩觀測器在t=0.25 s的縮放視圖。從圖2、圖3可以看出:基于模糊滑模控制與負載轉矩觀測器的直接轉矩控制系統比傳統的直接轉矩控制具有更好的快速性和更強的抗干擾能力。

5 結 論

基于IM直接轉矩控制方案，設計了模糊滑模控制器，以降低IM轉矩脈動和提高抗干擾能力。另外，負載轉矩觀測器用于估計外部負載轉矩的前饋補償。仿真結果表明:基于模糊滑模控制與負載轉矩觀測器的直接轉矩控制方案具有非常良好的快速性和抗干擾能力，而且明顯地減少了系統的轉矩脈動。

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Induction motor DTC based on fuzzy sliding mode control with load torque compensation

YANG Ben-chen, HE Jing-xiang， CAO Liu

(Faculty of Electrical & Control Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105,China)

Aiming at problem of torque ripple and bad anti-interference capability of induction motor(IM),a novel direct torque control(DTC)based on fuzzy sliding mode control(FSMC)with load torque compensation is designed.The conventional PID speed regulator is replaced by a sliding mode controller.To solve the problem of torque ripple of load in sliding mode controller,a fuzzy logic controller replaces the discontinuous part of the conventional sliding mode control law.It can obviously reduce the torque ripple of IM at low speed.In addition,a load torque observer is proposed to estimate the unknown load torque.The load torque observer is used to estimate load torque disturbances and the estimation is used as the feed-forward compensation in the speed loop.The simulation results show that the design has better dynamic response and speed performance,high robustness and strong anti-interference to load torque disturbance at low speed.

induction motor(IM); direct torque control(DTC); fuzzy sliding mode control(FSMC); load torque observer

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0103—03

2016—06—08

TP 212

A

1000—9787(2017)07—0103—03

楊本臣(1975-)，男，博士，副教授，從事無線傳感器網絡、異步電動機控制技術工作。