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            基于自抗擾的開關磁阻電機直接轉矩控制系統研究

            發布日期:2019-09-29   來源:《變頻器世界》19-08期   作者:霍東亮 鄧福軍   瀏覽次數:1900
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            【摘   要】:開關磁阻電機驅動系統以其生產成本低、調速性能高、可靠性強、控制方式靈活等諸多特性,在與其他類型電動機競爭中搶占了相當大的市場份額。可是,它的轉矩脈動及噪音問題較嚴重,限制了其進一步的推廣及應用。由于常規的直接轉矩控制算法的不足,引入自抗擾控制技術改進系統的轉速環。仿真結果表明,開關磁阻電機的轉矩脈動得到了進一步的抑制的同時,系統的動、靜態性能和魯棒性也得到相當大的提高。

             

             關鍵詞:開關磁阻電機;直接轉矩;自抗擾控制


             

            1  引言

            開關磁阻電機(Switched Reluctance MotorSRM)因其結構簡單、堅固工作可靠,效率高,具有很大的應用潛力。同時,由于其雙凸極鐵心結構,SRM的數學模型呈極度非線性,很難進行數學模擬從而增加了SRM控制的復雜性,所以采用常規的線性控制方法,很難達到理想的控制效果。為了達到系統的抑制轉矩脈動和抗干擾的效果,本文采用直接轉矩和自抗擾的調速方式,改善開關磁阻電機的動態特性,同時具有較強的魯棒性[1]

            2  SRM的工作原理及數學模型
            2.1  SRM的基本方程式

            由于雙凸極結構和開關電源供電模式,SRM在運行時存在著磁路飽和、渦流效應等問題,在研究SRM時,一般作下列假設:

            1)功率電子開關器件是理想開關器件;

            2)忽略磁滯及渦流損耗;

            3)在脈動電流的任意一個周期內,電機轉速不變;

            4SRM各相繞組的參數對稱,忽略互感[2]

            對于一個k相的SRM而言,其基本方程組為:

                 

            (1)                                                                                                     

                                

            式(1)即為SRM的電磁、力學關系,因為電感函數不容易解析,轉矩函數非線性非常強,控制性能很難達到最佳。因此,有必要根據實際工程應用的要求和SRM的結構特點簡化上述數學模型[3]
            2.2  SRM數學模型的建立

            本文使用準線性方法。

            SRM建模過程中,最重要的一點在于電感模型的建立,電感變化曲線如圖1所示

             

            1  SRM的相電感在一個轉子極距內的變化曲線

            1中的角度所對應位置如下:
                  

            因此在對電機繞組在不同時刻進行通電,可以使電機產生大小、方向不同的轉矩,進而使電機加速、減速、正反運行。

            3  開關磁阻電機直接轉矩(SRM_DTC)控制系統的仿真實驗
            3.1  SRM_DTC系統的結構框圖

            參照感應電機DTC系統框圖,構建SRM_DTC系統,其結構如圖2所示

             

            2  SRM_DTC系統結構框圖

             

            從圖2中的SRM_DTC系統結構框圖可以清楚了解直接轉矩調速的全部過程[6]

            3.2  SRM_DTC系統在MATLAB環境下的實現

            構建完畢的SRM_DTC系統如圖3所示

             

                                                       

            3  SRM_DTC系統仿真模型框圖
                                                                                                    

            3.3
              SRM_DTC系統的仿真結果                                                                                                                                                     

            主要參數為:負載為0,給定轉速為1400,給定磁鏈幅值0.3.
            SRM_DTC系統的仿真結果如圖4所示,SRM_DTC系統運行時,其瞬時磁鏈的幅值很好地控制在一定的范圍內,且軌跡近似圓形,表明了該系統控制磁鏈效果良好,磁鏈幅值基本恒定不變。

             
            圖4  SRM_DTC系統的磁鏈軌跡曲線

             電機轉矩、轉速波形如圖5所示。                                                                                                                                                  

             
            (a)轉矩波形圖

             

             

            (b)  轉矩波形局部放大圖             

             

            (c) 轉速波形圖

             

            5  SRM_DTC系統的轉矩、轉速波形圖


                由圖
            5可知,在開始的00.01s的起動階段開始,開關磁阻電機直接轉矩控制系統的轉矩迅速達到最大并且系統響應速度很快,在0.038s左右,已經達到穩定狀態,且在起動過程中SRM_DTC系統無超調并且轉矩波動較小。                                                                                                                                                                         

            在系統穩定后,其轉矩波動的范圍在-42左右,脈動比較小,轉速較平穩,系統的動、靜態性能比較好,轉矩脈動抑制效果良好。
            4  基于自抗擾技術(ADRC)的轉速環節的改進
            4.1  ADRC的基本內容
            4.1.1  ADRC的介紹

            SRM_DTC系統中,速度環采用了PID控制器。經典PID控制是根據目標與實際行為的偏差,以決定消除該偏差的控制策略,它將誤差的比例、積分與微分進行線性組合,以此生成控制信號,但是,當被控對象處于強干擾的環境,且系統的非線性、時變性較強時,僅靠PID控制就無法滿足現代系統工程對精度和速度的高要求[8]
            4.1.2  ADRC的原理

            PID控制器根據給定值v(t)與被控對象實際輸出值y(t)構成控制偏差e(t),然后將e(t)的比例(P)、積分(I)與微分(D)以線性組合的方式構成控制量u(t),從而對被控對象進行控制,故稱為PID控制器。

            4.1.3  ADRC的結構

            基于上述理論,建立ADRC,其結構如圖6所示,包括跟蹤微分器(TD),非線性狀態誤差反饋控制律(NLSEF)和擴張狀態觀測器(ESO)三部分[9]

             

             

            6  ADRC原理圖

             

            6中,TD為系統安排過渡過程;ESO用來消除模型未知結構部分與和未知擾動對被控對象的影響;NLSEF則給出對于被控對象的非線性控制策略[10]

            在選擇合適的TD、ESO及NLSEF中的非線性函數及參數后,ADRC即可控制廣泛的一類不確定對象,如式5所示:

                                                   (5)


               

            4.2  轉速環節中ADRC的應用
            4.2.1  在SRM_DTC系統中應用ADRC的可行性

            SRM_DTC系統中采用的PID控制器,其結構簡單,控制算法易實現,但無法解決快速性和穩定性之間的矛盾,且系統模型參數非線性及時變性很強,性能易受影響;使用,目前的難點在于如何抑制系統參數的不確定性和模型的不完善性等問題;ADRC能不依賴于系統的數學模型,對系統的內、外擾進行觀測并補償因此將其引入到SRM_DTC系統中,可提高系統的魯棒性[11]                                         

             

             

            7  基于ADRC的轉速環原理框圖

             

            TD在平滑系統輸入的同時會延長系統的起動過程,需采取折中方案,對ESO規定跟隨反饋信號觀測擾動項ESO只要能實時、準確觀測擾動,NLSEF中就可不必具有消除穩態誤差的功能,簡化系統結構,用比例放大環節取代[14]
            4.2.2  SRM_ADRC_DTC系統中ADRC的結構

            4.3  SRM_ADRC_DTC系統的仿真
            4.3.1  仿真模型的建立

            根據上述的改進策略,構建出SRM_ADRC_DTC系統仿真結構如圖8所示:

             

             

            8  SRM_ ADRC_DTC系統仿真模型圖

             

             

            主要模塊功能介紹:

            ADRC——自抗擾控制器模塊;

            其余模塊功能與SRM_DTC系統相同。

            現介紹ADRC模塊的搭建過程。

            首先設計非線性函數fal模塊如圖9所示

             

            9  fal模塊結構框圖

             

            ADRC的三個基本模塊TDESONLSEF,其仿真結構分別如圖101112所示

             

             
            圖10  TD模塊結構框圖

             

             
            圖11  ESO模塊結構框圖

             

             

            12 NLSEF模塊結構框圖

             

             

            在建模時,同樣可引入S_Function模塊,以優化仿真過程,
            4.3.2 仿真結果

            設定速度期望為一個階躍信號,其初始值為100r/min,0.03s時突變為200r/min,系統空載起動,0.06s時,加10的負載,仿真時間為0.1s,仿真結果如下

             

             
            圖13  階躍信號波形

             

             

             

            14  TD跟蹤波形

             

             

            15  SRM_DTC系統下的轉速波形圖

             

            16 SRM_ADRC_DTC系統下的轉速波形圖

             

            由圖13、圖14可知,ADRC平滑了輸入的階躍信號,抑制了系統的超調。

            由圖15、圖16可知,在外加負載的干擾下,SRM_DTC系統中,轉速損失很大;而SRM_ADRC_DTC系統中,由于ADRC準確觀測了擾動,并前饋補償,提高了系統的抗干擾能力,轉速基本沒有損失。

            仿真結果證明了SRM_ DTC系統引入ADRC的合理性和有效性,新系統中的ADRC能很好的解決微分問題,提高系統的動、靜態品質;ADRC能準確估計被控對象的狀態及所受干擾,并加以補償,從而得到優良的控制效果。

            5  結束語

            SRM結構簡單,其所構成的SRM調速系統又有調速范圍寬、成本低、可靠性高等優點,因此其應用領域也愈加寬廣本文分析了SRM的性能特性,論證了DTC用于SRD系統的可行性,并成功建立SRM_DTC系統。接著利用仿真軟件對相關系統做仿真實驗,證實了SRM_DTC系統中,轉矩脈動抑制效果好,此方案是有效利用ADRC對SRM_DTC的轉速環進行改進,設計了SRM_ADRC_DTC系統,并通過與SRM_DTC系統的仿真結果作對比,證實了新系統中,其抗干擾性能更好,系統動、靜態品質與魯棒性良好

             


             

             
             
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