0引言

異步電機作為工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵動力設備,其穩(wěn)定運行對于保障生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。異步電機性能優(yōu)化需要借助先進的電機設計、控制和監(jiān)測技術(shù),推動電機行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。通過研究和應用新型材料、先進控制算法、智能監(jiān)測系統(tǒng)等技術(shù)手段,可以不斷提升異步電機的性能水平。

異步電機具有多變量、非線性、強耦合的特性,矢量控制技術(shù)的發(fā)展使異步電機的調(diào)速性能得到本質(zhì)提高,異步電機速度控制環(huán)引入了PI調(diào)節(jié)器,這就不可避免地出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象,其主要代表就是積分飽和現(xiàn)象,在速度給定突變時會出現(xiàn)超調(diào)量大、響應慢、抗干擾差等不良動態(tài)特性^[1]。要抑制積分飽和現(xiàn)象,一種有效的方法是設計補償抗積分飽和控制器對PI調(diào)節(jié)器進行優(yōu)化,可以使速度響應變快、超調(diào)量變小。

文獻[2]提出一種新型抗飽和PI控制器在PWM整流器中的應用,這種新型PI調(diào)節(jié)器的積分項可以根據(jù)調(diào)節(jié)器的輸出是否飽和進行單獨控制,提高電壓控制環(huán)的性能。文獻[3]提出一種具有預測功能的抗積分飽和PI速度控制器,該策略利用PD預測功能,根據(jù)其輸出值的符號控制PI控制器的積分方向。

經(jīng)典的PI調(diào)節(jié)器抗干擾能力差,為了消除系統(tǒng)的干擾,設計擾動觀測器對系統(tǒng)的干擾進行估計及補償,可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

文獻[4]提出了一種基于擾動觀測器的非線性系統(tǒng)的前饋控制方法,該方法不依賴被控對象的模型。文獻[5]提出了一種用于電壓源逆變器控制的附加型擾動觀測器,提高了逆變器輸出的抗干擾性能和動態(tài)響應速度。文獻[6]提出了一種基于擾動觀測器和有限時間控制的永磁同步電機調(diào)速方法,該復合控制具有更好的抗擾動性能和更優(yōu)越的收斂性能。

為了優(yōu)化異步電機矢量控制系統(tǒng)性能,本文設計了A W控制器和DOB復合優(yōu)化的PI調(diào)節(jié)器,綜合二者的優(yōu)點,既能減少系統(tǒng)速度響應的時間和超調(diào)量,也能提高電機的運行性能。

1轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制基本原理

基于抗飽和的異步電機性能優(yōu)化是針對異步電機在高負載運行時可能出現(xiàn)的飽和現(xiàn)象而提出的一種優(yōu)化方法。通常情況下,異步電機在高負載條件下,磁通飽和會導致電機性能下降、效率降低、溫升增加,這可能會影響電機的可靠性和使用壽命。因此,基于抗飽和的優(yōu)化方法旨在減輕或消除這種飽和效應,從而提高電機的性能和效率。

常見的基于抗飽和的異步電機性能優(yōu)化方法包括:

1)磁通控制:通過控制電機的磁通,可以在高負載情況下避免磁通飽和。這可以通過調(diào)整電機的定子電壓、改變電機的勵磁電流或改變電機的轉(zhuǎn)子設計來實現(xiàn)。

2)電流控制:通過優(yōu)化電機的電流控制策略,減少在高負載條件下的電機磁通飽和。這可能涉及采用先進的控制算法,如矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制,以確保電機運行在最佳工作點。

3)優(yōu)化磁路設計:通過優(yōu)化電機的磁路設計,可以改善磁通分布,減少磁通飽和的發(fā)生。這可能包括改變電機的鐵芯材料、改變定子和轉(zhuǎn)子的幾何形狀以及優(yōu)化繞組設計等。

4)磁通觀測與估算:實時觀測和估算電機的磁通狀態(tài),可以幫助控制系統(tǒng)及時采取措施來減輕磁通飽和效應。這可以通過使用傳感器或基于模型的方法來實現(xiàn)。

5)熱管理:有效的熱管理可以幫助減少電機在高負載條件下的溫升,從而減輕磁通飽和效應。這可能包括采用更好的散熱設計、提高繞組的絕緣性能以及優(yōu)化工作環(huán)境等。

忽略系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩阻尼和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩時,按轉(zhuǎn)子磁場方向構(gòu)建的異步電機數(shù)學模型的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程(轉(zhuǎn)子磁場定向下的同步旋轉(zhuǎn)坐標系為MT坐標系)分別如下^[7]:

式中:u_sM、u_sT為定子M、T軸電壓;ψr、ψ_rM、ψ_rT為轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子M、T軸磁鏈;w_s、w_sl為電機同步旋轉(zhuǎn)角速度及轉(zhuǎn)差角速度;i_sM、i_sT、i_rM、i_rT為定子M、T軸電流及轉(zhuǎn)子 M、T軸電流;Rs、Rr為定、轉(zhuǎn)子電阻;L_s、L_r、L_m為定子電感、轉(zhuǎn)子電感和定轉(zhuǎn)子間互感;T_e、T_L為電機的電磁轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩;n_p為磁極對數(shù);w_r為負載角速度;J為轉(zhuǎn)動慣量;p、t為微分算子和時間。

由式(1)(2)及電機理論得:

式中:T_r=L_r/R_r為轉(zhuǎn)子時間常數(shù);θ_m為電機旋轉(zhuǎn)的角度差;w_r為轉(zhuǎn)子角速度。

2 AW控制器和DOB復合優(yōu)化的PI調(diào)節(jié)器的設計

在異步電機調(diào)速系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)的PI控制器會產(chǎn)生windup現(xiàn)象(由于電機輸入飽和而產(chǎn)生的系統(tǒng)超調(diào)和遲鈍現(xiàn)象),且易受干擾,AW控制器和DOB復合優(yōu)化的目的是提高系統(tǒng)的性能。

2.1AW控制器的設計

AW控制器的算法有3種:條件積分法、反饋計算法和變結(jié)構(gòu)法。變結(jié)構(gòu)法是條件積分法和反饋計算法的結(jié)合,綜合利用了兩者的優(yōu)點,同時也克服了兩者的不足。

原理如下:當限幅使控制器的輸出與被控對象的輸入不等時,將二者的差作為反饋信號來消除飽和誤差,抑制積分windup現(xiàn)象;當控制器中無windup 現(xiàn)象時,控制器退為普通PI控制器。變結(jié)構(gòu)AW控制器優(yōu)化的PI調(diào)節(jié)器既可以用傳統(tǒng)控制理論設計控制器參數(shù),又可以有效抑制windup現(xiàn)象,有效減少超調(diào)量,縮短調(diào)節(jié)時間。

積分控制如下:

式中:u_n和u_s分別為限幅前控制器的實際輸出和限幅后控制器輸出;k_c為補償系數(shù)。

2.2 DOB的設計

設計DOB將實際系統(tǒng)輸出與名義模型輸出的差作為一個等效干擾,再將觀測出的等效干擾作為補償反饋到輸入端^[8—10]?；谒俣刃盘柕腄OB的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由原理框圖可知,虛線框內(nèi)表達式如下(式中各量均是對應的頻率形式):

穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系如下:

式中:n*為參考速度信號。

3 實驗驗證與分析

采用基于DSP和FPGA的控制器來進行異步電機矢量調(diào)速實驗,交—直—交主電路為:三相自耦調(diào)壓器的輸出接到三相不控整流裝置,整流后通過一個電容進行穩(wěn)壓給逆變器供電,由DSP控制逆變器的驅(qū)動信號,逆變輸出的三相交流電和異步電機的三相定子繞組相連,原理圖如圖2所示。電機具體參數(shù)如表1所示。

當采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器時,速度響應具有很大的超調(diào)量,達到60%,系統(tǒng)需要7.5 s達到穩(wěn)定,穩(wěn)定性差且抗干擾能力弱,如圖3所示;當采用AW控制器和DOB 復合優(yōu)化的PI調(diào)節(jié)器時,參考轉(zhuǎn)速得到完美優(yōu)化,反饋轉(zhuǎn)速的超調(diào)量下降到25%,穩(wěn)定時間僅需2 s,抗干擾能力較強,如圖4所示。

4 結(jié)論

在異步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)中,為抑制積分飽和現(xiàn)象和消除干擾,設計了一種由AW和DOB復合優(yōu)化的傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器。實驗表明,該PI調(diào)節(jié)器能夠減少系統(tǒng)速度響應的超調(diào)量,縮短系統(tǒng)穩(wěn)定的時間,有較強的抗干擾能力。在所設計的PI調(diào)節(jié)器控制下,異步電機的速度環(huán)能實現(xiàn)較好的跟蹤,且跟蹤誤差小,使系統(tǒng)性能得到了優(yōu)化。所設計的PI調(diào)節(jié)器可以用于其他應用的閉環(huán)控制環(huán)節(jié),使用領(lǐng)域廣泛。

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2024年第18期第14篇