基于变结构PI的空间矢量直接转矩控制系统研究

《电气自动化｝２０１２年第３４卷第１期　控制理论及其应用　ＣｏｎｔｒｏＩ　Ｔｈｅｏｒｙ＆Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｒ　基于变结构Ｐ　ｌ的空间矢量直接转矩控制系统研究　邓国璋　（黄冈职业技术学院，湖北黄冈４３８００２）　摘要：直接转矩控制技术以结构简单、动态响应快、鲁棒性强等优点受到国内外学者的广泛关注，但是传统直接转矩控制也存在转矩　波动大、低速性能差等不足。将空间矢量调制技术（ＳＶＭ）与直接转矩控制相结合为解决这一问题开辟了新的途径，然而采用　ＰＩ控制的空间矢量转矩控制系统对系统外部扰动、参数摄动的鲁棒性较差。因此提出一种基于变结构ＰＩ的直接转矩控制方　案，采用变结构与ＰＩ互相配合的控制方式，既保持了直接转矩控制转矩响应快速的优点，又发挥了变结构控制鲁棒性强的优　势。仿真结果表明所提方案能有效改善直接转矩控制系统的性能。　关键词：变结构控制；空间矢量调制；直接转矩控制；定子磁链；自适应律　［中图分类号］ＴＭ９２１　［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００—３８８６（２０１２）叭一００１４—０３　Ａ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｓｐａｃｅ　Ｖｅｃｔｏｒ　Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕ　ｒｅ　Ｐ　ｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｄｅｎｇ　Ｇｕｏｚｈａｎｇ　（Ｔｈｅ　ＨｕａｎｇＧａｎｇ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕａｎｇｇａｎｇ　Ｈｕｂｅｉ，４３８００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＴＣ），ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ　ｂｙ　ｆａｓｔ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｉｍｐｌｉｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｔｒｏｎｇ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ，ｈａｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ａｌｌ　ｏｖｅｒ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ＤＴＣ　ｈａｓ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｄｒａｗｂａｃｋｓ：ｉｔ　ｅｘｈｉｂｉｔｓ　ｌａｒｇｅ　ｔｏｒｑｕｅ　ｒｉｐｐｌｅ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｄｉｉｃｕｌｆｔｉｅｓ　ｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ａｔ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄｓ．Ａｔｔｅｍｐｔｓ　ｔｏ　ｃｏｍｂｉｎｅ　ＤＴＣ　ｗｉｔｈ　ＳＶＭ　ｈａｖｅ　ｌｅｄ　ｔｏ　ｎｅｗ　ｗａｙｓ．Ｎｅｖｅｒｔｈｅｌｅｓｓ　ｉｔ　ｉｓ　ｈａｒｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｓｔｒｏｎｇ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ｔｏ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ．Ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ＰＩ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｅｓｅｒｖｅ　ｆａｓｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｍｅｒｉｔ　ｏｆ　ＤＴＣ，ａｎｄ　ｓｈｏｗ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＤＴＣ　ｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｄｉｒｅｃｔ　ｔｏｒｑｕｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｔａｔｏｒ　ｆｌｕｘ　ｌｉｎｋａｇｅ；ａｄａｐｔａｔｉｏｎ　ｌａｗ　Ｏ　引　言　近年来，直接转矩控制以结构简单、转矩响应快和对电机参　过ＰＩ调节　器生成定　子电压分　量　，然　数依赖性较小等优点受到了国内外学者的广泛关注。然而，传统　直接转矩控制系统采用滞环控制器和开关向量表对磁链和转矩　进行控制，因此存在转矩波动大、低速性能差等局限性，将空间矢　量调制技术（ＳＶＭ）与直接转矩控制相结合为解决这一问题开辟　了新的途径　。　后再结合　定子磁链　位置角０　进行坐标　变换，从而　本文提出一种基于变结构ＰＩ的空间矢量直接转矩控制方　案，采用变结构与ＰＩ互相配合的控制方式，在变结构控制中采用　带有线性区间的非线性控制结构，既能利用非线性特性抵偿内外　图１　空间矢量直接转矩控制系统　产生ＳＶＭ模块的输入电压指令　和　，最后由ＳＶＭ的输出控　制逆变器的开关信号。　ｒ　＝扰的影响，又能实现系统在原点附近无振颤，在保证变结构控制　快速性和鲁棒性的同时，有效改善了系统的性能。　Ｊ　Ｉ（　—　Ｒ　）ｄｔ　（１）　１空间矢量直接转矩控制系统　图１为空间矢量直接转矩控制系统结构框图　ｊ。转速给定　＝÷ｎ　（　一　，　）　（２）　值　，与反馈值∞　之差经过ＰＩ调节器，得到电磁转矩的给定信　其中　为定子磁链，　为定子电压，　为定子电流，　为定子电　阻。　为定子磁链的Ｏｔ、卢分量，，ｊ　为定子电流的　、　分量，　ｎ　为电机极对数。　号　。由（１）式计算的电磁转矩　与　相比较得到△　，经过　ＰＩ调节器，再与　相加生成定子电压分量Ｌｑ。由（２）式计算　相比较得到△　。再经　的定子磁链　与定子磁链给定信号　图１所示的系统采用ＰＩ调节器进行控制，能够解决传统直　接转矩控制磁链和转矩脉动大的问题，但同时也引入了ＰＩ调节　器的缺点，即特定的ＰＩ参数对电机参数、转速和负载变化比较敏　收稿日期：２０１１—０５—２４　１　４　ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ　Ａｕｔｏｒｎａｔｉｏｎ　感，导致系统鲁棒性变差。针对这一问题，本文提出变结构ＰＩ控　控制理论及其应用　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｈｅｏ￣＆Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　《电气自动化｝２０１２年第３４卷第１期　制方案，利用变结构控制对系统参数摄动和外部扰动具有鲁棒性　满足以下条件　的优势，进一步改善直接转矩控制系统的性能。　ｍｊｎ≤ｚ慨ｌ　≤　一　则对任意ｔ＞０均有　＿ｎ（１１）　２基于变结构Ｈ的空间矢量直接转矩控制系统　本文所提出的控制方案如图２所示，下面将以磁链环为例进　行分析和设计。　≤Ｚ咖（ｔ）≤　（１２）　（２）如果　有界，即：　／　则对ｅ慨有下式成立：　Ｅ慨１ｐ≤，（ｔ）≤　（１３）　ｒｏｊ　卿（Ｍ咖）一ｅ卿）≤ｏ　＝　＋（１４）　构造Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数：　去　（１５）　因此：　根据三相感应电机在定子磁链参考坐标系下的定子磁链、转　子磁链、转子电压和定子电压方程可得：　ｄｔ：尝　ｅ慨　’ｄｔ＋　ａ爱Ｅ　ｄ咖　ｔ　奶　’ｄｔ＋　　慨ｒ～　　ｄｔ：　［　一（　Ａ　）】＋１　慨　＝　ｅ咖＋釜　（３）　ｅ慨［　一　：］＋÷　慨ｄｄＥ￡ｃ，，一　ｅ咖△咖：　为磁链环和转矩环耦合项，　［　一ＫＪａｌ（ｅ慨）一Ｋｔ；ｆａｌ（ｅ俩）ｄｔ】＋　＝　堡为漏磁系数。根据式（３）有：　Ａ　（４）　÷　（　一孥］～…蝇一ＫＪａｌ（ｅ　＋　慨一其中　：　Ｒｓ。定义综合项　＝　Ｑ　＋Ａ　＋△髓为磁链环的汇　Ｌ．　［Ｐｒ　咖（　一　）＝Ｅ慨（÷　咖（　ｅ　ｚ（ｅ　）一÷Ｅ奶　ｄｆ，ｃ，　）一　（１６）　总不确定性。若　估计值为Ｚ　，则　的估计误差：　Ｅ慨＝Ｚ慨一　而磁链环跟踪误差：　ｅ慨＝　‘一　根据不连续投影的性质（２）可得：　（５）　（６）　孥≤一　ｅ　ｆ（ｅ慨）　１　Ｅ慨孥≤　＋　－ｇ－＝（１７）　一由图２可知磁链环控制量：　＝．　ＫＪａｌ（ｅ慨）＋　‘　（ｅ　）ｄ　俩　（７’　Ｉ　ｅ蛹Ｉ（　ｅ慨一　）　其中：　，＝　＞…　如果汇总不确定性的导数有界（Ｉ／　Ｊ≤　咖，　慨≥０），那么：　ｄＶｃ，，　Ｉ（　（ｅ　一　ｄＶｃ，，．ｄ≤０　ｔ　）（１８）　（１９）　ｆａｌ（・）函数的显著特点是采用带有线性区间的非线性控制结　而由：　构，在发挥非线性优势的同时又能保证系统在原点附近无振颤。　定义自适应律：　＝ｒｅ　（９）　可得：　式中，：　，　测ｚ协　胁（　。为了保证ｚ奶对时　ｒ０，Ｚ卿＝　…ａｎｄ　ｒｅ慨＞０　（　咖　（２０）　变不确定项　观测误差的有界性，本文引入不连续投影算子　（１）ｌ　ｅ俩Ｉ≤占慨时，ｆａｌ（ｅ慨）＝ｅｇｏ　恤　～，所以ｔ－－＊￣时：　对自适应律加以修正，则有：　＝Ｐｒｏｊ　冁（　伽）＝｛０，Ｚ伽＝ｆｑ－ｓ＇ａｒｉｎａｎｄ　咖＞０（１０）　ｒｅ慨　～＜Ｚ咖，＜／　（２）　Ｉ　ｅ咖ｌ＞　６嘶时，　ｆ（ｅ咖）　＝　ｌ　ｅ蜘Ｉ。ｓｉｇｎ（ｅ咖），　所以￡一∞时：　２ａ￣ｓｌ　根据文献［７］，不连续投影算子具有以下性质：　（１）对于估计误差ｅ帆，如果ｚ慨对　的初始估计值Ｚ咖Ｉ　≤　，ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　１５　《电气自动化）２ｏ１２年第３４卷第１期　控制理论及其应用　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｈｅｏ￣＆１ｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　综合式（２１）和（２２）有：　…　，　）（２３，　因此磁链环全局一致渐进有界０同理还可对速度环和转矩　环进行分析和设计，本文不再赘述。　３仿真实验分析　为了验证本文所提方案的有效性，在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环　境下建立图１所示的空间矢量直接转矩控制系统进行了仿真实　验，并与图２所示系统的仿真结果进行了对比。为保证对比研究　的公平性，图１和图２中的ＰＩ调节器参数取相同数值。仿真时　所用的感应电机参数如下。　—（ａ）空间矢量转矩控制系统　８０　６０　４ｏ　ｇ　●　Ｚ　２ｏ　０　Ｌ．一　．ｒ　．２０　ｓ　（ａ）空间矢量转矩控制系统　ｌ厂厂　ｆ　ｔ／ｓ　（ｂ）基于变结构ＰＩ的空间矢量转矩控制系统　图３转速响应　额定功率：５．５　ｋＷ　额定频率：５Ｏ　Ｈｚ　定子电阻：０．８１３　０　定子电感：０．１０６　２６　Ｈ　励磁电感：０．１０２４　Ｈ　额定电压：３８０　Ｖ　极对数：２　转子电阻：０．５３１　Ｑ　转子电感：０．１０８　７５　Ｈ　转动惯量：０．０２　ｋｇ．ｍ　仿真时电机转速设为１０转／分，电机起动时给定转速设为　０转／分，０．２秒时电机转速变为１０转／分，０．５秒给系统突加　＝３５　Ｎ・ｍ的额定负载，仿真结果如图３和图４所示。图３为　两种系统的转速响应曲线，从图中可以看出，转速突变时，空间矢　量转矩控制系统的转速出现了２０％的超调，而基于变结构ＰＩ的　系统超调仅为３％。突加负载时空间矢量转矩控制系统的最大　速降７．５转／分，恢复时间约为１３０ｍｓ，而基于变结构Ｐｌ的系统最　大速降６转／分，经过８０ｍｓ恢复到转速给定值，动态性能明显优　于前者。图４为转矩响应曲线，由图可知转矩波动范围均为　±１　Ｎ・ｍ，表明这两种系统都有效解决了传统直接转矩控制的　转矩脉动问题，而基于变结构Ｐｌ控制系统在提高鲁棒性的同时　并未引起振颤。　１６　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　【作者简介】　邓国璋（１９６２一），男，湖北黄冈人，高级工程师，专业：机电。