【doc】基于内模控制的异步电机鲁棒电流调节

【doc】基于内模控制的异步电机鲁棒电流调节 基于内模控制的异步电机鲁棒电流调节 第21卷第6期 l999年I2H 文章编号:iO018360(19991l6—003'104 一 引 铁道 jOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETY 基于内模控制的异步电机鲁棒电流调节 庄圣贤,?I-_'_^一 (.浙江大学电机工程系.浙江杭州310027} 李肇基——-?- 电子科技大学微电子所,四川成都610054) Vo1.21N0.6 I)ecemherl999 摘要:提出异步电机电流调节器的内模控制(1MC)法设计.用矩阵奇异值分析了IMC电流调节器的鲁棒性. 且将其应用于异步电机转子磁场定向的转差频率矢量控制中通过对电流调节器传递矩阵函数的仿真及用DSP 实现的异步电机矢量控制运行实验,验证了1MC电流调节器的良好性能. 关键词:立;;壅宴盥奇异值瞳札电闾中图分类号TM343,口Iz文献标识码:A』 RobustCurrentRegulationofVector—ControlledAsynchronousMotor BasedonInternalModelControl ZHUANGSheng—xian,LIZhaoji. ZhejiangIOnversity,Hangzhou310027,China~Zlnst.{Microelectronlcs Abstract:Inthispaper.theinternalmodelcontrolapproachisappliedtothecurrentregulation ofindirectrotor fluxorientedcontrol(IFOC)ofasynchronousinductionmotor,Thedesignmethodologyofcu rrentregulatoris presentedanditsdynamicandrobustcharacteristicsareanalyzedbyusingmatrixsingularval ues.Also,the simulatingandexperimentalresultsverifiedthegoodperformancesoftheinternalmodelcurr entcontrolinthe IFOCasynchronousinductionmotor. Keywords:internalmodelcontrol:robustness;vectorcontrol;singularvalue 0引言 在转子磁场定向的感应电机矢量控制中,转矩与 磁通的控制解耦主要取决于转子磁通位置的估计但 转矩的控制性能也受电流调节的影响.在用定子电流 调节的电压型PWM控制方式中,经过磁场定向解耦 后得到的给定励磁电流和转矩电流分量分别通过两个 独立的PI调节器来得到所需的输出参考电压值.但由 于无论是在同步旋转坐标系还是在定子静止坐标系 中.定子电压方程中存在励磁电流和转矩电流分量的 交叉耦台,使得转矩电流的调节受到励磁电流的影 响.一般的解决办法是从电机输入电压指令中附加 一 个去耦项来抵消转矩励磁电流的耦台作用.],或用 状态反馈以及预测控制来提高电流或转矩控制性能, 但实现较复杂4.Thomas等提出了用内模控制 (IMc)来设计感应电机的电流调节器并应用到了永磁 鉴墓岳留1998{品""" 作者苘介:庄圣贤(19641,男,博士 同步电机的电流控制0].本文用内模控制法设计异步 电机的电流调节器并应用于异步电机转差频率矢量控 制中.通过对异步电机IMC电流调节器的仿真分析及 用DSP构成的矢量控制系统实验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,不仅IMC调 节器的设计对电机参数的依赖性较小,容易调整,且转 矩和电流调节具有较好的鲁棒性和动态响应性能. 1异步电机模型与IMC电流调节器设计 转子磁通同步旋转坐标下的电压方程为 RLL2)Pg'2 …{"(R】+吐Lp)il+l厶i】+(L/L:): 式中,:1一圮/厶L:;R,,厶分别为定子的电阻和自 感;L为定,转子之间的互感;为磁场同步旋转角 速度;P为微分算子. 如果在调速过程中保持转子磁通恒定,则 户一0令:及 , rI一"q,l2(2) 第6期基于内模控制的异步电机鲁棒电流调节 则异步电机的电流,电压之f司的传递函数矩阵模型为 )=G)td(s)(3) 式中):]):]L1"I-ntr) G(1{)一『t+--mloL~]G(s)一Jl 强 图1是内模控制和反馈控制的原理图.图中骨() 为参考输入,l,()为输出,Q()为内模控制器,C(s)为 反馈控制器.当对象的预测模型0(s)与实际模型G() 一 致时,图1(a)中无反馈信号.根据内模控制的设计 方法,当已知对象的预测模型0()时,在图1(a)中采 用如式(4)所示的控制器可使过程有一定鲁棒性. Q(s)一GI1(5)F(s)(4) 式中,F()是如式(5)所示的对角阵前馈低通滤波 器,用来提高系统的鲁棒性. iag[南,南,?-.,南](5) 一 般来说,式(5)中的正整数应选得足够大, 以使F(s)为正.则当预测模型0()与实际对象一致 时,系统闭环带宽仅取决于参数.对一阶系统而言,^ 与阶跃响应上升时间的关系近似为:f?2.2/a式 (3)中异步电机的电流传递函数无右半平面零点,在 高频下近似为一阶系统.前馈低通滤波器F(s)可选为 F()=I(6) 故所设计的IMC电流调节器Q()为 Q(s)=G(5)F(s)一 + )(7)L~Z趸+aZsd…, 式中,爱,Z,为定子电阻,自感及漏感系数的估计 值 将IMC电流调节器等效成图1(b)所示的反馈控 制器为 c?=[卜南叮?南:: + J叫t工 1 Ll (+8i(8) 2IMC电流调节器的鲁棒性分析 从式(8)可以看出,用反馈控制器实现的电流 IMC控制等价于解耦的PI控制,其对角元中的积分 项形成了解耦网络.由图1得出调节后的闭环传递矩 阵函数为 ()=[,+(s)]一()一[,+导,l_导,= '' (9)L g2(s)g22()J 式中G.()=C()G()(1O) 图2是取^=lO时仿真得出的g()对数幅频特 性.从图中可以看出,对IMC电流调节器的传递矩阵 y_' l I t1晋曩程撩草,d??-. 图2g1L(,)的对敫幅频特性 函数是一个一阶系统,不存在曲分量的交互影响. 假如电机参数e一dL1]中的某个参数的 变化为.8.一0.,弓1起的输出变化为 ,=?… 式中 : [H}叮[H亨叮= 南i0+^)a一… 铁道第2l卷 由式(1O)可得 G.() . 一 ?.)Gd()【{, 一 ?6?1…一了叭"一可 令弘一 (1_3) (14) (1_5) 则式(1L)可表示为 AY(s)一G()D()?口.R()(16) 根据多变量系统频域理论有 a(G()?面等等?邶))( 式中,(G(j?)),(G())分别是传递函数矩阵G(j?) 的最小,最大奇异值.由式(17)可知传递函数矩阵 6()的参数变化引起的输出变化受限于G(j.)的最 小,最大奇异值.图3分别是=1rad/s(实线), 500rad/s(虚线)时G(j.)的最大奇异值曲线在q< 100rad/s时,G()的最大奇异值曲线与=1rad/s 时相似.在所有频率范围内变化不大.当>i00ra4/ S时.G()的最大奇异值在高频段产生突变,q越大 变化越大,这表明对参数变化越敏感,调节器的鲁棒性 变差,但在基频范围内(50Hz)鲁棒性都较好. 船 _世 十倍彝程频率/md?s 图36(】)的奇异值曲线 3IMC电流调节器在转差频率矢量控制中的 应用 用DSP(TMS320(250)及矢量控制协处理器 (ADMC200)实现的基于IMC电流调节器的异步电机 转子磁场定向的转差频率矢量控制系统如图4所示 由电流反馈.速度反馈(带速度传感器),转速控制及 IMC电流控制等部分组成.转速的调节,电流的IMC 控制及其他运算由DSP来完成;电流的采样与A/D 雷4基于IMC电流调节的矢量控制原理图 转换,三相定子(abc)坐标系到同步旋转(MT)坐标系 的变换及其逆变换,三相PWM的产生等均由 ADMC200完成.系统的工作原理是:根据速度的给定 值与测量值的误差经PI调节得到转矩电流分量, 根据给定磁通算出励磁电流分量二_(忽略转子磁 通的动特性可使IMC电流控翩的效果更好).将给定 励磁及转矩电流与实际的定子电流(变换到MT坐 标)比较后经IMC电流调节得到转子磁通同步坐标轴 上的参考电压,再经磁通同步坐标轴到定子坐标轴的 变换后得到三相定子电压,同步旋转变换的角度由估 计的转差角速度与所测实际转速之和积分后得出,由 逆变器输出至电机.同步旋转变换的角度由估计的转 差角速度与所测实际转速之和积分后得出.三相 PwM由ADMC200产生后经IR2233驱动IGBT逆 变器.IMC电流调节器用独立的P1调节加内反馈来 实现.即 = 晨+ r0一?L] j,71Y(5)(18)L】0LlUJ 式(18)右端第一项是PI调节,第二项是内反馈. 对IMC电流调节器 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 电流采样频率?10,l. 在实验中选择的电流采样频率为5kHz,转速的采样 频率为500Hz.控制用的电机为0.75kW,额定转速 2825r/rain.电机的参数为[R,L,R.,L2,d=[7.8 n,5224mH,1.2n,51.83mH,00953.图5是IMC 电流调节器的阶跃响应波形,当取=2200时电流响 应上升时间小于1mB.图6,图7是突加减负载时输出 转矩及转速的变化波形.给定转速为300rad/s,负载 突变时输出转矩及转速均有一定冲击.但变化小于 4,调节时间不长,动态稳定性较好. 第6期基于内模控制的异步电机鲁棒电流调节 培 1.2 1.0 E 0.8 辞 羽0.6 奢 O.^ 35O r3O0 ? 25. 嚣m 150 4结论 囝5IMC电流调节器的阶跃响应 ;;: i^-一^一 \f}._ ;V 102030405D 时问t/s 围6转矩响应波形 ; .——.— l厂——r——1厂, O12345 时间f/s 圈7速度响应渡形 将内模控制方法应用到异步电机转差频率矢量控 制中的电流调节.IMC调节器的设计对电机参数的依 赖性较小,只需用闭环系统的上升时间来进行调整.仿 真及实验表明IMC调节器的电流及转矩的动态响应 好,对参数变化有一定的鲁棒性,而且用DSP实现起 来很容易,适用于电压型PwM逆变器供电的异步电 机转子磁场定向矢量控制. [参考文献] E1]LorenzRD.etalMotionControlwithInductionMotors [A].ProceedingsoftheIEEEEc],Vo1.82,No8,ugus【 lg94.1215,1239. E2]LeeDC.SulSK.Highpertormaneecurrentregolatorfor afield—orientedcontrolledinductionmotordriveE3iIEEE trans.1nd.Applicat.,Vo1.23,Sept/Oct.1994:1247, 1Z57. [3]Min—HueiKim,eta1.VectorControlSystemforInduction MotorwithoutspeedSensoratVeryLowSpeed[A]_ IEEElnd.Electron.Conterence[C].1995:524,529 [4ZhangLteta】.Long—rangepredictivecontrolotcurrent regulatedPWMIorinductionmotordrivesusingsyn chronousreferenceframe[J].IEEEtrans,Contr.Syst. Teehno】.,Vo】5,Jan.1997:l19,126. Es]AkagiH,eta1.HighPerformaneeControlStrategyotCy. cloconverted—fedInductionMotorDriveSystemBasedon DigitalControlTheory[J7.IEEETransonlnd.Elec tron,Vo1.33,No.2?May1986:126~131 6]HarneforsL,eta】.RobustCurrentCmI'rolofACMa— chinesUsingtheInternalModelControlMethod:A]. IEEEInd.ApplieaAnnualMeetingsEc]1995:303, 309. [7]ThomasJL,eta1.Aninternalmodelcontrolstructurein fieldorientedcontrolledVSIinductiont1]otors[A].In: Froc.sPEEC].Florence,Italy:1991,vo1.2:202~207. (责任编辑田克平)