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基于滑模控制的异步电机全阶观测器研究
蒋林;刘梁鸿;李坤;张玉翠
【摘要】针对基于全阶观测器的异步电机矢量控制系统的低速稳定运行和宽调速
范围等问题,提出了一种基于滑模控制的改进型异步电机全阶观测器方法.该方法利
用全阶磁链观测器来估计电机的转速、转子磁链,提高电机低速时的带载能力,并合
理设计滑模转速控制器来达到拓宽调速范围的目的,增强系统鲁棒性.最后,基于
Matlab搭建系统仿真模型和基于DSP28055搭建了物理实验平台.仿真实验结果
表明,所提控制策略拓宽了电机调速范围,提高了低速带载能力,验证了方法的可行性.
【期刊名称】《电气传动》
【年(卷),期】2019(049)004
【总页数】4页(P19-22)
【关键词】异步电机;全阶磁链观测器;矢量控制;电机控制;滑模控制
【作者】蒋林;刘梁鸿;李坤;张玉翠
【作者单位】西南石油大学电气信息学院,四川成都610500;西南石油大学电气信
息学院,四川成都610500;西南石油大学电气信息学院,四川成都610500;西南石
油大学电气信息学院,四川成都610500
【正文语种】中文
【中图分类】TM343
要获得高性能的异步电机调速系统,转速闭环控制是必不可少的,然而速度传感器
的安装不仅增加了系统成本,降低了系统的可靠性,还受安装条件等因素的影响,
因此无速度传感器控制技术[1-3]成为交流调速系统的研究热点之一。
随着信号数字处理技术的飞快发展,现代控制理论已成功应用于高性能的交流调速
系统中,使得交流电机的无速度传感器控制技术得到了实用化的发展[4]。近年
来,无速度传感器控制方法大致可分成2大类[5]:一类是基于理想化模型的转
速估计法;另一类是基于非理想性特性的转速估计法。其中理想化模型的方法又分
为开环磁链观测器法和闭环磁链观测器法。
全阶自适应观测器,又称Luenberger观测器,是日本学者H.Kubota使用
Luenberger观测器实现对转子磁链和定子电流的估计,并通过定子电流的估计误
差和转子磁链的估计值自适应辨识出转子转速等参数[6]。该方法属于模型参考
自适应法(MRAS)的一种,即将电机自身作为一种参考模型,全阶状态磁链观测
器作为一种可调模型。该方法具有良好的速度跟随性和稳定性[7]。
为解决低速稳定运行,并拓宽调速范围,本文提出了一种基于滑模控制的异步电机
全阶观测器方法,用滑模速度调节器[8]替代PI型速度调节器,实现了电机的转
速估计。通过搭建异步电机调速系统仿真模型,从转速跟踪变化、负载扰动与突变、
低中高速带载能力等多方面对所提的控制方案进行了仿真试验。仿真结果表明:所
提方法拓宽了调速范围,提高了低速带载能力。在仿真的基础上进行了物理实验验
证,实验结果验证了该控制策略的可行性与有效性。
1异步电机数学模型
在静止两相α-β坐标系下,异步电机的动态数学模型可描述为
其中
式中:Ψrα,Ψr分β别为α,β轴的转子磁链分量;isα,isβ,usα,us分β别为
定子电流、电压的α,β轴分量;Tr为转子电磁时间常数;σ为电动机漏磁系数;
Lm为等效互感;Ls为定子自感;Lr为转子自感;Rs为定子电阻;Rr为转子电阻;
ω为转子机械角速度。
2基于全阶观测器的转速估算
2.1异步电机全阶磁链观测器
异步电机全阶观测器系统框图如图1所示。
图1全阶观测器系统框图Fig1Structurediagramoffullorderobserver
system
图1中,J为电机机械转动惯量,εi为实际电流与估计电流差值。
由式(1),可以得到异步电机的全阶状态观测器的数学模型为[7]
其中
式中:σ为总漏感系数;“^”为状态量的估计值;is为定子电流;G为反馈矩阵。
矩阵̂是将状态方程A中的ω和电机参数由转子速度估算值̂和电机参数估算值分
别取代。
2.2反馈矩阵G的设计
全阶状态观测器中的反馈增益矩阵G是一个关键的反馈控制参数,它的准确设计
将直接影响整个系统的稳定性。同时,它的设计需要同时满足全阶状态磁链观测器
和转速估计系统等多个性能指标的要求[9]。
状态观测器的性能和稳定性与反馈增益矩阵G密切相关,增益矩阵的设计必需满
足以下条件:1)系统的极点应具有负实部,且在电机极点的左侧,以获取更快的
收敛速率;2)转速估计系统应具有全局的稳定性,主要包含再生制动工况和高速
弱磁区域;3)