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变增益PI速度控制器在间接磁场定向控制系统中的应用

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资料介绍

针对感应电机无速度传感器间接磁场定向控制系统中传统PI控制器和磁通观测器的不足,利用感应电机的时变参数模型的降阶处理方法,提出一种变增益的PI速度控制器;为获得无速度传感器控制,提出一种非线性鲁棒高增益观测器.仿真和试验验证表明:PI速度控制器不但能根据实际工况实现PID参数的在线调整,而且工程实现简单,减少了系统在启动阶段的超调;非线性鲁棒高增益观测器只需要电机的定子电压和电流,能同时观测电机的状态量和转子时间常数等参数,鲁棒性好,计算量少,易于适时在线实现.

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、b1．41

No．2

第4l卷第2期

2010年4月

中南大学学报(自然科学版1

Journal ofCentralSouth

and

University(Science

Apr．2010

Technology)

变增益PI速度控制器在间接磁场定向控制系统中的应用

李建军1，一，桂卫华1，张超1，何亚屏1，盛洁波2

(1．中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙，410075；

2．湖南工学院电气与信息工程系，湖南衡阳，421002)

摘要：针对感应电机无速度传感器间接磁场定向控制系统中传统PI控制器和磁通观测器的不足，利用感应电

机的时变参数模型的降阶处理方法，提出一种变增益的PI速度控制器；为获得无速度传感器控制，提出一种非

线性鲁棒高增益观测器。仿真和试验验证表明：PI速度控制器不但能根据实际工况实现PID参数的在线调整，而

且工程实现简单，减少了系统在启动阶段的超调{非线性鲁棒高增益观测器只需要电机的定子电压和电流，能同

时观测电机的状态量和转子时间常数等参数，鲁棒性好，计算量少，易于适时在线实现。

关键词：感应电机；间接磁场定向控制；高增益观测器：变增益PI控制器

中图分类号：TP391．9

文献标志码：A

文章编号：1672-7207(2010)02-0615-08

variable

PI controller used for

control ofinduction

gain

speed

motor IDFOC

system

Jie-b02

Jian-junl一，GUI Wei-hual，ZHANGCha01，HEYa-pin91，SHENG

ofInformation Science and

ofElectric andInformation

South

410075，China；

(1．School

Engineering，Central

University,Changsha

Institute

2．Department

Engineering,Hunan

ofTechnology,Hengyang 421002，China)

Abstract：Basedon thereduced orderofthe IM modelofthe sensor-less indirect field oriented

conlI'ol(IDFOC)system,

was

order to

the sensor-less

variable

controller

control，a high

simple

gain

speed

presented．In

implement

gain

therotor _{fluxes，speed}andtime constant

the stator currents and_voltages．

estimate

observer(HGO)was proposed

using

the PID_parameters

results show that the

method Call

Simulation and

implementation

online，the

experimental

proposed

decreases

overshot

adjust

the

engineering

the

very e嬲y，and

speed

during

startup．HCA)has many advantages，such

ofthe IM．

real time identification

good^{robustness，less}computation,and

words：induction

observer

field oriented

Key

motor(n哪；indirect

control(IDFOC)；high gain

OaGO)；variable gain

controller(VGPI)

在感应电机的矢量控制中，关键要确定转子磁通

和转子速度。对无速度传感器控制系统，磁通和转速

的获得一般是通过可测量的定子电压和电流，利用观

测器理论实现【lI。然而，感应电机本质上是1个强耦

合的非线性系统，许多学者对其参数估算进行了研究，

也提出了许多实用的方法12-31，如Beguenane等14】提出

了1种模型参考自适应(MRAS)方法，该方法简单，但

是，对电机参数很敏感。Lee等【51提出了一种扩展卡尔

曼滤波(EKF)方法，该方法是1种随机观测器，系统

的非线性在取样时间内被线性化，它最大的优点就是

能同时观测状态和系统参数，但是，计算量大，鲁棒

Observer

性不高。同时，还有Extended

Luenberger

(ELO)方法[6-7】和滑模控制方法【8】等。近年来，大量的

智能控制方法也引入了电机的控制领域，如神经网络、

收稿日期：2009--01-23；修回日期：2009-04-17

基金项目：湖南省教育厅科技项1|(06C042),国家自然科学基金重点资助项Ij(60634020)：湖南工学院院级科研项(HY08026)

通信作者：李建军(1968-)，男，湖南衡阳人，教授，从事非线性控制、电气传动控制的研究；电话：13875793910：F-mail：hgl∞68@163．COEll

万方数据

中南大学学报(自然科学版)

第4l卷

616

模糊控制等[9-101，这些方法给系统带来了较大的计算

量，控制效果也有许多局限性。Moreno等[u-12】提出了

子磁通：毛=【‰ ，‘。】T，为定子电流；P为电机极对数；

砰吐嘏，，为转子时间常数；三。和厶分别为电机定子电

感和转子电感；．，为电机转动惯量；五为负载力矩；f

为摩擦因数；M为电机互感；∞。，CO，和∞。1分别为定

子速度、转子速度和转差速度：R。和咫分别为定子电

1种高增益观测技术(HGO)，可以同时辨识系统的状

态和参数，且对微处理器的要求不高，计算机适时实

现也很简单。

本文作者在文献[12】的基础上，利用HGO技术，

针对感应电机无速度传感器控制系统，提出了一种非

线性鲁棒观测器，观测器利用电机的时变参数模型，

只需要电机定子电流和电压，利用电机的降阶模型来

获得对电机参数的适时辨识，以实现电机的磁场定向

阻和转子电阻；瑚为电机额定功率。

1．2间接转子磁场定向

根据矢量控制的基本原型121，按转子磁场定向，

满足：矿dr=吼，％=0。这样，电机的电磁力矩等

式变为：

控制(IDFOC)。在无速度传感器控制系统中，速度控

制器一般是PI控制器【l31，固定参数的PI控制器虽然

^，

(2)

瓦=p≠弭k

■

从而可以把交流电机等效为一个直流电机。

电压方程为：

结构简单，方便实现，但是对过程变化敏感。为克服

这一缺点，一般是引入智能控制，如模糊控制【l¨ 7】等，

利用智能控制在线调整其系数，但是无形中增加了系

统的复杂性。本文作者在得到同步旋转坐标系下的转

子磁场定向的感应电机状态空间描述方程的基础上，

设计出感应电机的高增益观测器(HGO)对电机参数和

状态进行观测，利用观测得到的参数，设计出速度的

变增益PI(VGPI)控制器。该方法简单，不但能实现了

PID参数的在线调整，而且能有效克服系统在启动时

的超调等不良效果，工程实现简单。

(3)

‰ 2(咫+鸭s)‰ +等p方一心鸭k

(4)

‰ 2(足+心s)‘。+等p方+CYLscasi曲

式中：西为弭的参考值；S为拉氏算子。

磁场定向角为：

圆

岛=忙鲁卜

1感应电机模型及其IDFOC原理

1．1感应电机的数学模型

高增益观测器原理

在同步旋转d-q坐标下的感应电机方程的状态空

间描述为【12】：

对一非线性系统：

一，‰ +鸭。+毒％+七q％+壶‰

{．’’YC：=庸I((石x))+g‘x’即

‰

一q‰ 一y‘。+毒％一后q％+鸭I----L-V庐

其中：x R?；口 R一；J，一。

约定系统(6)可观测，则存在一线性变换f6融)，

使原系统变换为：

白s

●

％

：

等讧一等+％％

％

●

萼k一孕一缈s1％

I‘驴互吲惭

{；三老+9‘％z’

建立如下观测器f18’19】：

iM了p2(％。一％讧)粤号

宝=4乏+9(毛砧)一妨1置(c乏一J，)

(8)

式中：

式中：A为系统矩阵，C为系统输出矩阵；乞为观测

器状态；K为观测增益；目的定义见文献【18】。

在式(8)中，选择置使A-KC稳定，岛为下述

Lyapunov方程(9)的解：

，，=(罢+警]一訾，删一篆；

％=【‰ ，％。IT，为定子电压；9，=【％，％】T，为转

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