交流调速的等效扰动前馈非线性解耦控制新方法

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1、交流调速的等效扰动前馈非线性解耦控制新方法1绪论交流异步电机具有结构简单、制造方便、运行可靠及价格低廉等优点，是运动控制系统中最常见的动力机械[1]。传统上变速场合多使用直流电动机，因为直流电动机的控制性能好、动态响应快[2]；恒速场合多使用交流电动机，虽然它们的调速性能差，但价格便宜、可靠耐用。直流电动机控制性能好，但仍存在一些缺点，例如价格高、电刷和换向器容易损坏，电刷和换向器的存在限制了最高转速和峰值电流[3]，在换向时所引起的电火花会产生电磁干扰问题，不能在易燃易爆的环境中使用等。交流电动机则没有上述缺点，其中，交流异步电动机中的鼠笼式异步电动机因结构

2、简单、造价低、应用简单、维修简便等优点被广泛应用，因此研究交流电动机调速具有很大的意义[4]。随着全控型电力电子器件问世和技术日趋成熟、大规模集成电路的产生和脉宽调制技术的广泛应用，交流电机的调速性能得到不断提高。现代交流调速凭借其优秀的调速性能、高功率因数和高效节能等优点已受到高度重视和广泛应用，围绕交流调速开展了大量的研究工作，取得了诸多进展，仍然有巨大的发展前景[5][6][7]。1.1交流调速技术的研究现状交流电动机高效调速的典型是变频调速，它既适用于异步电机也同样适用于同步电机。变频调速通过调节电压和频率之间的关系，可使调速系统始终运行在高效区[8]

3、。变频调速能获得良好的动态特性，机械特性与直流电机类似，基本是上下平行移动，而转差功率不变[9]。另外，变频调速可在减小起动电流的同时增加起动转矩。变频调速的基本方式是开环恒压频比调速，也称恒V/F控制，以及在此基础上加入转速闭环的转差频率控制[10][11]。这两种方式仅根据异步电机稳态模型调速而不控制磁链矢量，所以也可称为标量控制。标量控制不能实现磁链和转矩的完全解耦控制，比如在转矩增加时磁链幅值会减小，只适用于转速变化较缓慢的场合。异步电动机的数学模型是非线性、强耦合、多变量以及高阶的，对其解耦控制最有效的理论为1970s提出的基于磁场定向的矢量控制理论

4、。矢量控制从异步电机的数学模型出发，利用坐标变换实现磁链和转矩的解耦控制，使交流调速系统的动态特性得到显著改善。但经典矢量控制方法还存在不少问题，如转子磁场定向的矢量控制容易受电动机转子参数变化的影响，限制了解耦控制效果，并且降低了系统的参数鲁棒性[12][13]。.........1.2矢量控制技术和直接转矩控制技术为了达到和直流电动机类似的控制效果，上世纪70年代，德国工程师F.Blaschke等人提出了感应电动机按磁场定向的控制系统，即矢量控制(VC,VectorControl)系统[19][20]，该方法可以在普通的异步电动机上模仿直流电动机的控制规律

5、进行控制，从而打开了在高性能调速领域内用交流传动代替直流传动的途径。该方法基于交流电动机精确的数学模型和非线性坐标变换，按照转子磁链定向，实现了定子电流转矩分量和磁链分量的解耦，使得可以按线性系统理论分别设计转矩与磁链调节器，从而获得较宽的调速范围和快速的响应特性。但按转子磁链定向受电动机转子参数变化的影响，降低了控制系统的鲁棒性[21][22]。电气机车等具有大惯量负载的运动系统在起制动时要求有很快的瞬态转矩响应，特别是在弱磁调速范围内。随后，日本学者I.Takahashi也提出了类似的控制方案[6]。与矢量控制不同，直接转矩控制放弃了旋转坐标变换，而是在静

6、止两相坐标系上控制转矩和定子磁链，并采用砰-砰控制以获得快速的转矩响应。DTC系统控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；砰-砰控制本身属于比例控制，可以获得比PI调节器更快地动态响应；但砰-砰控制不可避免地产生转矩脉动，使得系统的低速性能受到限制。..........2非线性系统线性定常控制方法中的两个关键问题2.1非线性系统线性定常控制方法的原理非线性系统的线性定常控制方法，其原理如图2-1所示。其控制思路为，对于一般非线性时变受控系统ΣP，首先确定一个线性定常模型，称为ΣP的理想目标模型ΣI，它具有对&Si

7、gma;P施控后所期望得到的输入输出传递函数。将ΣP与ΣI之间按输入输出等效之后的所有差异，记为对ΣI的线性扰动Δ，并记具有这种扰动Δ的ΣI为ΣP的一个线性定常替代模型ΣS，ΣS与ΣP是输入输出等价的。下面给出ΣS的严格定义，如图2-1中小虚线框内所示。定义1：若任给一个输入函数u，总存在一个扰动函数，使得包含Δ的ΣI和ΣP在相同输入u下具有相同的输出，则具有扰动Δ的ΣI

8、就为ΣP的一个线性定常替代