基于自抗擾控制器的異步電機變頻調速系統

摘要：設計了一種采用優(yōu)化的自抗擾控制器(ADRC)的異步電機變頻調速系統。應用擴張狀態(tài)觀(guān)測器的雙通道補償作用，統一觀(guān)測系統的總擾動(dòng)并加以補償，使控制對象被近似線(xiàn)性化和確定性化。實(shí)驗結果表明，相較于經(jīng)典PID控制器，采用自抗擾控制的異步電機變頻調速系統具有更高的動(dòng)靜態(tài)性能以及對負載擾動(dòng)具有更好的魯棒性。

關(guān)鍵詞：異步電機；變頻調速；觀(guān)測器；魯棒性

1 引言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和微處理器的不斷發(fā)展，異步電機變頻調速系統的調速性能得到了很大提升，與傳統的直流電機調速系統相比，它具有結構簡(jiǎn)單、調速范圍寬、效率高、特性好、運行平穩、安全可靠等特點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛應用。變頻器加異步電機構成的變頻調速系統大有取代直流調速系統的發(fā)展趨勢。

可編程邏輯控制器(PLC)被公認為現代工業(yè)自動(dòng)化的3大支柱之一，其控制系統穩定可靠，通訊組網(wǎng)靈活，可方便集成到現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中，適應當前自動(dòng)化程度日益提高的要求。PLC變頻調速系統以其優(yōu)越的性能得到了越來(lái)越多的重視，但對于多變量非線(xiàn)性強耦合的異步電動(dòng)機，采用常規的定參數PID控制方法，對負載變化的適應能力差、抗干擾能力弱且受系統參數變化影響大。因此，在現有硬件設備的基礎上，如何進(jìn)一步提升變頻調速系統的控制性能，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

這里在異步電機變頻調速系統中采用了自抗擾控制器方法，將系統的內擾、外擾等視為系統總擾動(dòng)，由擴張狀態(tài)觀(guān)測器統一觀(guān)測并加以補償，使控制對象被近似線(xiàn)性化和確定性化，從而實(shí)現了系統的非線(xiàn)性控制，并通過(guò)實(shí)驗驗證了該控制方案的有效性。

2 異步電機變頻調速系統數學(xué)模型

由電流跟蹤型SPWM逆變器供電的異步電機變頻調速系統在d，q兩相旋轉坐標系下的狀態(tài)方程可用五階非線(xiàn)性模型描述，當忽略變頻器時(shí)滯時(shí)，系統模型可用降階的二階非線(xiàn)性模型描述：

式中：ω1為電氣同步角速度；ωr為轉子速度；isd，isq分別為d，q軸的定子電流；ψrd，ψrq分別為d，g軸的轉子磁鏈；np為極對數；Lm為互感；Lr為轉子電感；J為轉動(dòng)慣量；Tr為電機轉子時(shí)間常數；TL為負載轉矩。

由文獻可知，變頻器在矢量運行模式下系統可逆，且整個(gè)系統可以簡(jiǎn)化為轉速的單輸入、單輸出系統。

3 異步電機變頻調速自抗擾控制系統

3．1 一階自抗擾控制器的設計

圖1為自抗擾控制器結構圖。該控制器是基于跟蹤微分器(TD)來(lái)安排過(guò)渡過(guò)程、擴張狀態(tài)觀(guān)測器(ESO)來(lái)估計系統狀態(tài)、模型和干擾，非線(xiàn)性誤差反饋(NLSEF)來(lái)給定控制信號的一種非線(xiàn)性控制器。

對于矢量控制的異步電機驅動(dòng)系統，采用一階模型控制器，相應采用二階ESO結構。矢量控制中，一般保持轉子磁鏈恒定，利用ADRC的特點(diǎn)，對于轉動(dòng)慣量變化引起的系統模型誤差和負載擾動(dòng)的影響等歸于擴張狀態(tài)z2統一觀(guān)測并加以補償。基于一階ADRC的轉速控制器原理框圖如圖2所示。

3．2 ADRC的優(yōu)化

一階ADRC結構中，ESO輸出被控對象和未知擾動(dòng)的觀(guān)測值，沒(méi)有被控對象的微分項輸出，控制器無(wú)需跟蹤微分器的輸出，因此在A(yíng)DRC結構中省略跟蹤微分器環(huán)節。對于一階對象，采用線(xiàn)性的比例調節代替NLSEF，可在保證控制器性能的前提下，有效地簡(jiǎn)化模型，減小計算量，從而得到結構優(yōu)化的一階ADRC模型。圖3為結構優(yōu)化的一階ADRC轉速控制框圖。優(yōu)化后的轉速控制器的完整算法為：