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感应电机二阶滑模次优算法定子磁链观测器设计

潘月斗;陈泽平;郭映维

【摘要】提出了基于二阶滑模次优算法的感应电机定子磁链观测方法,设计了定子

磁链观测器,并应用到感应电机直接转矩控制中.本文设计的磁链观测器,通过准确的

跟踪电流及其变化率,从而实现对转子磁链的准确估算,然后利用转子磁链与定子磁

链的关系,估算出定子磁链.由于本文设计的定子磁链观测器是一个多输入多输出

(MIMO)系统,稳定性分析非常复杂,为此将磁链估算误差的微分看作扰动处理,从而

将MIMO的观测器模型分解成两个独立的单输入单输出(SISO)系统,简化了稳定性

分析.将该观测器用于感应电机直接转矩控制中,达到了很好的控制效果.仿真和实验

验证了该方法的有效性.

【期刊名称】《控制理论与应用》

【年(卷),期】2015(032)005

【总页数】5页(P641-645)

【关键词】感应电机;二阶滑模;次优算法;电流观测;磁链观测;直接转矩控制

【作者】潘月斗;陈泽平;郭映维

【作者单位】北京科技大学自动化学院,北京100083;北京科技大学钢铁流程先进

控制教育部重点实验室,北京100083

【正文语种】中文

【中图分类】TM343

感应电机被广泛应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面,随着直接

转矩控制和矢量控制技术的出现,使其逐渐进入了伺服控制领域[1].相对于矢量控制,

直接转矩控制方法直接把转矩作为被控量,并由电流和定子磁链估算,无需进行磁场

定向和矢量变换,更为简单和实用,具有快速的动态响应能力[2].直接转矩控制中,定

子磁链观测值的精确度直接影响控制效果[3].定子磁链观测的基本方法有电压模型

法和电流模型法.

电压模型法结构简单,观测时仅需确定定子电阻.但是电压模型法在运算过程中需开

环积分(纯积分),微小的直流偏移误差和初始值误差都将导致积分饱和[4].电流模型

法可解决电压模型积分漂移和无法建立初始磁链的问题,但观测精度与转速相关,易

受电动机转速变化的影响[5].为了更好的观测磁链,已提出了很多方法,如滑模变结构

方法[6–7]、自适应方法[8]、卡尔曼滤波器方法[9–10]、神经网络方法[11]等.相比

其他方法,滑模变结构方法对系统的不确定性因素具有较强的鲁棒性和抗干扰性,同

时控制设计简单,物理上易于实现,因此得到广泛应用.

但是在实际应用中,滑模变结构控制也存在一些问题,其中最主要的是抖振现象[12].

近些年提出的高阶滑模控制理论[13],是对传统滑模控制理论的进一步推广.相比传

统滑模,高阶滑模不仅保持了传统滑模的优点,同时抑制了系统的抖振,除去了相对阶

的限制,并且提高了控制精度.二阶滑模控制是目前应用最广泛的高阶滑模控制方法,

因为它的控制器结构简单且所需要的信息不多.二阶滑模控制中常见的4种算法

有:twisting(螺旋)算法、sub-optimal(次优)算法、prescribedconvergence

law(给定收敛律)算法和Super-Twisting(超螺旋)算法.本文设计了一种基于二阶滑

模次优算法的感应电机定子磁链观测器.将磁链估算误差的微分看作扰动处理,从而

将MIMO的观测器模型分解成两个独立的SISO系统,简化了稳定性分析.将该观测

器用于感应电机直接转矩控制中,达到了很好的控制效果.仿真及实验结果验证了该

方法的有效性.

设感应电机的磁路是线性的,忽略铁损的影响,在静止坐标系(α–β)下,感应电机的数

学模型的状态方程为[14]

δ=ηRs+Lmλθ;isα,isβ,usα,usβ,ψrα,ψrβ分别为α轴和β轴的定子电流、定子电

压和转子磁链;ωr为转子电角速度;Ls,Lr,Lm分别为定子电感、转子电感和定转子

间互感;Rs,Rr分别为定子电阻和转子电阻.

定子磁链和转子磁链存在如下关系[15]:

设计如下感应电机转子磁链观测器:

其中:分别为定子电流和转子磁链的状态估计变量,vα和vβ为控制信号,分别为α轴

和β轴的定子电流观测误差.定子电压和定子电流usα,usβ,isα,isβ都是可以检测到

的,定子电压是原实际系统(感应电机)的输入量,定子电流可作为原实际系统的输出

量;针对此观测器而言,定子电流检测量isα,isβ作为给定输入量(也作为干扰输入的

一部分),定子电压检测量usα,usβ以及转子电角速度看作干扰输入的一部分;,作为

观测器的反馈量.

式(1)减式(2),可以得到定子电流和转子磁链观测误差方程

电流观测误差方程写成如下形式:

由式(5)可知,电