复杂交流多电机系统的研究

2012-01-31沈翠凤顾光旭

微特电机 2012年8期

沈翠凤，顾光旭

(盐城工学院，江苏盐城224051)

0 引言

随着现代高新科技的发展以及工业自动化程度的提高，多台交流电机同步协调运行显得尤为重要。两台电机同步系统的控制较为简单，这方面的研究已经取得了较好的效果。对于多台变频器驱动的多感应电机系统，其控制变得尤其复杂，需要人们去研究新的控制方法。

自抗扰控制器［1］在电机调速系统等领域得到了广泛的应用。本文建立了多电机按转子磁场定向的物理模型，将自抗扰控制器应用到多电机同步控制中。利用扩张状态观测器统一观测系统的扰动，通过补偿，将控制对象进行确定化以及近似线性化处理，这样较好地达到了转子转速和皮带张力的解耦控制。

1 多电机同步运行的数学模型

图1为多台电机同步运行的物理模型。电机1作为主电机控制系统的转速，电机2、电机3作为从电机跟随主电机1的速度变化，使相邻两电动机之间速度差保持恒定，从而使系统的张力恒定［2－3］。

图1 多台电机同步运行的物理模型

基本的动态方程如下:

式中:ωr、p、r、k 分别为皮带轮的电气角速度、电机转子极对数、半径和速比;T为张力变化时间常数;K为传递系数。

2 多电机同步运行的转速模型分析

三电机同步系统中，当变频器运行于矢量控制时，按转子磁链Ψr定向的同步旋转正交M、T坐标系下的简化模型［4］:

式中:ωr为转子角转速;Ψr为转子磁链;ω为电机同步旋转角转速;p为极对数;J为转动惯量;TL为负载转矩;Tr为电机时间常数;Lr为转子电感;Lm为转子和定子互感。

由简化模型可知，电机的磁通子系统仅取决于定子电流，而Ψr不变，则系统的输入可简化为给定的三个频率信号，输出为电机1的速度ωr1、皮带张力F12和F23。这里，只需实现转速张力子系统的解耦，则系统模型可进一步简化［5］:

3 多电机自抗扰控制系统设计

针对三输入三输出的多电机同步系统，本文中提出了一种新的基于自抗扰控制技术的控制方案。其中速度和张力控制器均采用优化的一阶ADRC，控制系统结构如图2所示。

图2 三电机自抗扰控制结构图

3.1 一阶ADRC的设计

自抗扰控制器(图3)是基于跟踪微分器(TD)来安排过渡过程、扩张状态观测器(ESO)估计系统状态、模型和干扰，非线性误差反馈(NLSEF)来给定控制信号的一种非线性控制器［3］。

图3 自抗扰控制器结构

本文设计了一个基于一阶ADRC控制器按转子磁链定向的矢量控制异步电动机调速系统。这里利用ADRC的特性，对J变化引起的一系列影响归于扩张状态z2统一观测补偿，控制器原理框图如图4所示。

图4 一阶ADRC框图

3.2 ADRC 的简化

采用线性的P调节代替非线性误差反馈，同时省略TD环节，则可得到结构简化的一阶ADRC模型。如果再适当提高反馈增益，则同样可以实现较好的控制性能。本文中采用的ADRC控制原理框图如图5所示。

图5 处理后的ADRC控制原理框图

本文采用的ADRC控制器算法:

式中:v0为给定值;y为被控对象输出;u为控制量;z1为y的跟踪信号，z2为w(t)的观测值;h为采样周期;kp为比例系数;b0为补偿因子。试验中系统速度的采样周期 h=0.1 s，取20。实验中通过整定 kp、b0来调整系统的控制性能。

4 多电机同步运行的实验结果

4.1 硬件组成

三电机同步控制系统硬件连接示意图如图6所示，系统采用WinCC作为上位机创建可视化的过程控制画面，采用PLC作为下位机硬件控制器控制三台变频器执行三电机调速，采用OPC技术实时采集系统速度和张力数据。

图6 多电机同步系统结构框图

4.2 试验结果对比研究

4.2.1 抗扰性能研究

变频器设定为矢量控制方式。图7(a)为PID控制下在对系统突减和突加负载系统响应，图7(b)为ADRC控制下在对系统突减和突加负载系统响应对比图。可以看出，ADRC控制下系统的鲁棒性和抗干扰性优于PID控制。

图7 突减/突加负载系统响应曲线

4.2.2 解耦性能研究

图8和图9分别为PID控制、神经元解耦RBF网络自整定PID控制(笔者将文献［6］的方法推广到三电机系统中)和ADRC控制时的多电机系统速度和张力的实验波形。图8(a)中，由于电机速度给定变化，系统输出张力波形出现较大的尖峰抖动误差;而在图8(b)、图8(c)中，系统输出张力波形仅出现微小的抖动误差，但图8(c)中的系统动态响应速度明显快于图8(b)。图9(a)中，由于两张力同时突加，电机输出速度出现一定的抖动误差;而在图9(b)、图9(c)中，当两张力同时突加，电机输出速度几乎不变，同样的是，图9(c)中的系统动态响应速度明显快于图8(c)。

由此可见，采用自抗扰控制器时，系统速度和张力解耦效果较好，且具有较快的响应速度和较高的稳态精度。