CN108964563A - 一种基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制方法，包括1）采用恒定定子磁链控制方法，建立感应电机电磁转矩方程，根据电磁转矩方程分析***的扰动成分，确定扰动补偿对象；2）实现基于有限时间观测器的***集总扰动观测，完成对***集总扰动的估计；3）根据给定速度和反馈速度间的误差状态，建立误差***状态方程，利用有限时间控制技术设计***前向通道中的反馈控制器，获得给定电磁转矩；4）建立基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制***，合理整定参数。优点：1）引入有限时间控制技术，加快了***的收敛速度，提高了***的动态性能。2）所设计的观测器结构简单，算法易于实现，具有良好的动态性能和抗干扰性能。
Description
技术领域
本发明是一种基于非光滑控制技术的新型感应电机直接转矩控制方法，属于感应电机控制技术领域。
背景技术
感应电机因具有结构简单、性能稳定、制造方便等优点而被广泛应用于工业生产、交通运输、冶金等领域。感应电机的控制策略通常采用矢量控制和直接转矩控制。直接转矩控制是继矢量控制之后发展起来的一种调速技术，其避开了矢量控制电流解耦控制的思想，利用两个滞环比较器控制电机的磁链和转矩，具有转矩响应迅速、不需要坐标变换、对电机参数依赖性小等优点，因而被广泛应用于感应电机调速***。
感应电机是一个多输入、多输出、时变性、强耦合的非线性***，在实际应用中存在负载变化、摩擦以及参数摄动等干扰，这些干扰的存在降低了***的控制精度，影响了***的控制性能。若能合理设计扰动观测器，实现对***扰动的观测，并对扰动进行补偿，则可改善***的控制性能。
为了实现***的扰动观测，并实现扰动补偿，提高***的抗干扰性能，学者们做了大量研究。文献（刘子建,吴敏,桂武鸣. 基于自抗扰控制技术的高压大功率异步电机矢量控制***[J]. 测控技术, 2010, 29(11):71-75）利用抗干扰控制技术，通过设计速度控制器，实现了对扰动的观测和补偿，但这种方法仅考虑了负载扰动，未对因电机参数变化等引起的扰动作出分析。文献（电子科技大学.一种基于自抗扰控制的交流感应电机控制***:中国，CN201210299949.7[P].2012-8-22）将模糊控制量输入扩张状态观测器，在一定程度上提高了扩张状态观测器的估计精度，但其速度控制器采用了渐进稳定控制方法，***的收敛速度依然较为缓慢。文献（天津大学.基于连续终端滑模技术的永磁同步电机速度复合控制方法:中国, CN201410520288.5[P]. 2014-9-30）采用连续终端滑模技术设计了***的反馈控制器，使***速度产生快速响应，但该方法涉及整定参数较多，算法实现较复杂。
发明内容
本发明提出的是一种基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制方法，其目的在于针对现有技术存在的参数变化考虑不全面、收敛速度较为缓慢等缺陷，提出了一种可以提高感应电机直接转矩控制***动态响应和抗干扰能力的方法，在保证***稳定的前提下，对感应电机进行建模，分析其干扰成分，研究扰动补偿控制方法以及不同扰动观测器对感应电机收敛速度的影响，总结出提高***收敛速度的方法，为最终提高感应电机直接转矩控制***的动态响应和抗干扰性能提供理论依据。
本发明的技术解决方案：一种基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制方法，包括如下步骤：
1）采用恒定定子磁链的控制方法，建立感应电机电磁转矩方程，根据电磁转矩方程分析***的扰动成分，确定扰动补偿对象；
2）引入有限时间观测技术，实现基于有限时间观测器的***集总扰动观测，完成对***集总扰动的估计；
3）根据给定速度和反馈速度之间的误差状态，建立误差***状态方程，利用有限时间控制技术设计***前向通道中的反馈控制器，获得给定电磁转矩；
4）建立基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制***，在保证观测器稳定的前提下，合理整定参数。
本发明的有益效果：
1）引入有限时间控制技术，加快了***的收敛速度，提高了***的动态性能。
2）所设计的观测器结构简单，算法易于实现，保证***稳定的前提下，使得***具有更好的动态性能和抗干扰性能，为最终提高感应电机直接转矩控制***的动态响应和抗干扰性能提供理论依据。
附图说明
附图1是一种基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制方法的控制***框图。
附图2是有限时间观测器MATLAB仿真框图。
附图3是电机启动阶段的转速响应曲线图。
附图4是突加负载时转速响应曲线图。
具体实施方式
一种基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制方法，包括如下步骤：
1）采用恒定定子磁链的控制方法，建立感应电机电磁转矩方程，根据电磁转矩方程分析***的扰动成分，确定扰动补偿对象；
2）引入有限时间观测技术，实现基于有限时间观测器的***集总扰动观测，完成对***集总扰动的估计；
3）根据给定速度和反馈速度之间的误差状态，建立误差***状态方程，利用有限时间控制技术设计***前向通道中的反馈控制器，获得给定电磁转矩；
4）建立基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制***，在保证观测器稳定的前提下，合理整定参数。
所述步骤1）中确定***扰动补偿对象：
感应电机的电磁转矩方程：
其中，T e 为电磁转矩，n p 为极对数，L s 为定子自感，L r 为转子自感，L m 为转子互感，为定子磁链，为转子磁链，为转矩角。感应电机的机械运动方程：
其中为电机的机械角速度，J为转动惯量，B为阻尼系数，T L 为负载转矩。根据感应电机机械运动方程可得：
其中为***的总扰动，T e * 为电磁转矩的参考输入；
从上式可以看出，***的的总扰动包括由阻尼、负载转矩、转动惯量以及转矩误差所造成的扰动。若能估计出***的总扰动，便可以实现对***的扰动补偿，提高***的抗干扰能力。
所述步骤2）中实现基于有限时间观测器的***集总扰动观测：
根据下式建立有限时间观测器：
其中，l＞0，＞0，r 1 为速度的估计，r 2 为***的总扰动d(t)的估计。
所述步骤3）中建立误差***的状态方程：
根据给定速度和反馈速度的误差状态，建立误差***状态方程：
结合感应电机的机械运动方程可得：
其中，
利用有限时间控制技术设计反馈控制器,确定给定电磁转矩T e * 的计算式：
其中k＞0，0＜＜1。
为使得闭环***快速收敛，直接对扰动快速地起作用，引入非光滑控制技术，建立基于有限时间观测器前馈补偿与反馈控制器相结合的复合控制方案，实现对扰动的观测和补偿。
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明
如附图1所示，本发明提供一种基于非光滑控制技术的新型感应电机直接转矩控制方法，该方法可提高***的动态响应与抗干扰能力，包括如下步骤：
步骤一：采用恒定定子磁链的控制方法，建立感应电机电磁转矩方程，根据电磁转矩方程分析***的扰动成分，确定扰动补偿对象；
步骤二：引入有限时间观测技术，实现基于有限时间观测器的***集总扰动观测，完成对***集总扰动的估计；
步骤三：根据给定速度和反馈速度之间的误差状态，建立误差***的状态方程，利用有限时间控制技术设计***前向通道中的反馈控制器，获得给定电磁转矩；
步骤四：建立基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制***，在保证观测器稳定的前提下，合理整定参数。
如附图2所示，为有限时间观测器MATLAB仿真框图。
如附图3所示，为电机启动阶段的转速响应曲线图，与传统PI控制方法相比，非光滑控制技术作用下的闭环***转速响应更快，超调量更小。
如附图4所示，为突加负载时的转速响应曲线图，当突加负载时，基于传统PI控制方法的闭环***转速响应受负载影响波动较大，且调节时间较长；而基于非光滑控制技术的闭环***几乎不受负载扰动的影响，具有较好的抗扰动性能。
Claims (5)
1.一种基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制方法，其特征在于包括如下步骤：
1）采用恒定定子磁链的控制方法，建立感应电机电磁转矩方程，根据电磁转矩方程分析***的扰动成分，确定扰动补偿对象；
2）引入有限时间观测技术，实现基于有限时间观测器的***集总扰动观测，完成对***集总扰动的估计；
3）根据给定速度和反馈速度之间的误差状态，建立误差***状态方程，利用有限时间控制技术设计***前向通道中的反馈控制器，获得给定电磁转矩；
4）建立基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制***，在保证观测器稳定的前提下，合理整定参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制方法，其特征在于所述步骤1）中确定***扰动补偿对象：
感应电机的电磁转矩方程：
其中，T e 为电磁转矩，n p 为极对数，L s 为定子自感，L r 为转子自感，L m 为转子互感，为定子磁链，为转子磁链，为转矩角；
感应电机的机械运动方程：
其中为电机的机械角速度，J为转动惯量，B为阻尼系数，T L 为负载转矩；
根据感应电机机械运动方程可得：
其中为***的总扰动，T e * 为电磁转矩的参考输入；
从上式可以看出，***的的总扰动包括由阻尼、负载转矩、转动惯量以及转矩误差所造成的扰动；
若能估计出***的总扰动，便可以实现对***的扰动补偿，提高***的抗干扰能力。
3.根据权利要求1所述的一种基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制方法，其特征在于所述步骤2）中实现基于有限时间观测器的***集总扰动观测：
根据下式建立有限时间观测器：
其中，l＞0，＞0，r 1 为速度的估计，r 2 为***的总扰动d(t)的估计。
4.根据权利要求1所述的一种基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制方法，其特征在于所述步骤3）中建立误差***的状态方程：
根据给定速度和反馈速度的误差状态，建立误差***状态方程：
结合感应电机的机械运动方程可得：
其中，
利用有限时间控制技术设计反馈控制器,确定给定电磁转矩T e * 的计算式：
其中k＞0，0＜＜1。
5.根据权利要求1所述的一种基于非光滑控制技术的感应电机直接转矩控制方法，其特征在于，为使得闭环***快速收敛，直接对扰动快速地起作用，引入非光滑控制技术，建立基于有限时间观测器前馈补偿与反馈控制器相结合的复合控制方案，实现对扰动的观测和补偿。
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