基于自抗擾控制器的異步電機變頻調速系統(tǒng)

摘要：設計了一種采用優(yōu)化的自抗擾控制器(ADRC)的異步電機變頻調速系統(tǒng)。應用擴張狀態(tài)觀測器的雙通道補償作用，統(tǒng)一觀測系統(tǒng)的總擾動并加以補償，使控制對象被近似線性化和確定性化。實驗結果表明，相較于經典PID控制器，采用自抗擾控制的異步電機變頻調速系統(tǒng)具有更高的動靜態(tài)性能以及對負載擾動具有更好的魯棒性。

關鍵詞：異步電機；變頻調速；觀測器；魯棒性

1 引言

隨著電力電子技術、微電子技術和微處理器的不斷發(fā)展，異步電機變頻調速系統(tǒng)的調速性能得到了很大提升，與傳統(tǒng)的直流電機調速系統(tǒng)相比，它具有結構簡單、調速范圍寬、效率高、特性好、運行平穩(wěn)、安全可靠等特點，在生產實踐中得到了廣泛應用。變頻器加異步電機構成的變頻調速系統(tǒng)大有取代直流調速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

可編程邏輯控制器(PLC)被公認為現代工業(yè)自動化的3大支柱之一，其控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，通訊組網靈活，可方便集成到現場總線控制系統(tǒng)中，適應當前自動化程度日益提高的要求。PLC變頻調速系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能得到了越來越多的重視，但對于多變量非線性強耦合的異步電動機，采用常規(guī)的定參數PID控制方法，對負載變化的適應能力差、抗干擾能力弱且受系統(tǒng)參數變化影響大。因此，在現有硬件設備的基礎上，如何進一步提升變頻調速系統(tǒng)的控制性能，是一個亟待解決的問題。

這里在異步電機變頻調速系統(tǒng)中采用了自抗擾控制器方法，將系統(tǒng)的內擾、外擾等視為系統(tǒng)總擾動，由擴張狀態(tài)觀測器統(tǒng)一觀測并加以補償，使控制對象被近似線性化和確定性化，從而實現了系統(tǒng)的非線性控制，并通過實驗驗證了該控制方案的有效性。

2 異步電機變頻調速系統(tǒng)數學模型

由電流跟蹤型SPWM逆變器供電的異步電機變頻調速系統(tǒng)在d，q兩相旋轉坐標系下的狀態(tài)方程可用五階非線性模型描述，當忽略變頻器時滯時，系統(tǒng)模型可用降階的二階非線性模型描述：

式中：ω1為電氣同步角速度；ωr為轉子速度；isd，isq分別為d，q軸的定子電流；ψrd，ψrq分別為d，g軸的轉子磁鏈；np為極對數；Lm為互感；Lr為轉子電感；J為轉動慣量；Tr為電機轉子時間常數；TL為負載轉矩。

由文獻可知，變頻器在矢量運行模式下系統(tǒng)可逆，且整個系統(tǒng)可以簡化為轉速的單輸入、單輸出系統(tǒng)。

3 異步電機變頻調速自抗擾控制系統(tǒng)

3．1 一階自抗擾控制器的設計

圖1為自抗擾控制器結構圖。該控制器是基于跟蹤微分器(TD)來安排過渡過程、擴張狀態(tài)觀測器(ESO)來估計系統(tǒng)狀態(tài)、模型和干擾，非線性誤差反饋(NLSEF)來給定控制信號的一種非線性控制器。

對于矢量控制的異步電機驅動系統(tǒng)，采用一階模型控制器，相應采用二階ESO結構。矢量控制中，一般保持轉子磁鏈恒定，利用ADRC的特點，對于轉動慣量變化引起的系統(tǒng)模型誤差和負載擾動的影響等歸于擴張狀態(tài)z2統(tǒng)一觀測并加以補償。基于一階ADRC的轉速控制器原理框圖如圖2所示。

3．2 ADRC的優(yōu)化

一階ADRC結構中，ESO輸出被控對象和未知擾動的觀測值，沒有被控對象的微分項輸出，控制器無需跟蹤微分器的輸出，因此在ADRC結構中省略跟蹤微分器環(huán)節(jié)。對于一階對象，采用線性的比例調節(jié)代替NLSEF，可在保證控制器性能的前提下，有效地簡化模型，減小計算量，從而得到結構優(yōu)化的一階ADRC模型。圖3為結構優(yōu)化的一階ADRC轉速控制框圖。優(yōu)化后的轉速控制器的完整算法為：