基于加速度模糊控制下的異步電動(dòng)機(jī)雙饋系統(tǒng)分析

摘要：隨著速度調(diào)控策略的不斷深入與發(fā)展，希望以高精度實(shí)時(shí)控制解決異步電動(dòng)機(jī)控制的要求被提上議程，特別在電動(dòng)機(jī)加減速情況下，這種對于改善電流畸變和異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性的要求就更加強(qiáng)烈。文中提出了在加速度模糊控制下的加速度一速度雙饋閉環(huán)調(diào)控策略，通過仿真驗(yàn)證了該策略能有效改善電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的局部粗糙，使輸出波形與運(yùn)行特性平滑穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：加速度；模糊控制；雙饋

    加速度作為考察電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程的重要參數(shù)，能有效反映電動(dòng)機(jī)突然加減速下的不穩(wěn)定狀態(tài)，為避免由于這種不穩(wěn)定所產(chǎn)生的不良效果提供了信息。一方面，加速度傳感器克服了電動(dòng)機(jī)振動(dòng)及電動(dòng)機(jī)型號(hào)不同時(shí)的測量誤差與光學(xué)元件價(jià)格昂貴和安裝距離要求高等不利影響，不僅能有效反映異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況，而且由于加速度的直接測量省去了間接測量后的計(jì)算轉(zhuǎn)換誤差，在一定程度上保證了測量結(jié)果的可靠性及實(shí)用性。另一方面，隨著異步電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)速度閉環(huán)調(diào)控機(jī)制，電動(dòng)機(jī)在加減速過程中容易發(fā)生速度SPWM占空比加得過大，出現(xiàn)打滑導(dǎo)致空轉(zhuǎn)或加速不夠迅速而影響速度的矛盾局面。建立加速度——速度雙饋過程是解決這類高精度、實(shí)時(shí)調(diào)控問題的一種有效思路方法。雖然通過以智能控制為基礎(chǔ)的一大批控制方式在這方面積極探索，但是基于加速度模糊控制下雙饋策略的相關(guān)論文還比較鮮見。
    引入加速度調(diào)控方式最大優(yōu)勢在于能有效改善調(diào)控局部精度，配合傳統(tǒng)關(guān)于速度下的調(diào)控策略建立以加速度模糊控制為策略的雙饋調(diào)控機(jī)制，能使電動(dòng)機(jī)整個(gè)過程都平緩穩(wěn)定，結(jié)合模糊控制，能有效保證系統(tǒng)的魯棒性及糾錯(cuò)精度，以期異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行品質(zhì)得以提升。

1 模糊控制和傳統(tǒng)速度閉環(huán)調(diào)控的相關(guān)理論
    在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)矢量變頻控制系統(tǒng)中，反饋回路通過異步電動(dòng)機(jī)電流檢測引出，結(jié)合電流模型法解耦得到轉(zhuǎn)子磁鏈ψ、磁場定位角θ及轉(zhuǎn)矩電流i，求得電機(jī)測量轉(zhuǎn)矩T，與Tω相比較構(gòu)成轉(zhuǎn)矩反饋。而對電機(jī)的供電通路是由帶電流環(huán)控制的電壓源型SPWM逆變器，逆變器電壓由三相電壓給定，頻率則是由異步電動(dòng)機(jī)模型輸出ω給定。基于加速度模糊控制下的雙饋系統(tǒng)仍是以原始速度環(huán)為基礎(chǔ)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，引入加速度模糊控制環(huán)是出于對速度環(huán)波動(dòng)不穩(wěn)、諧波較多等不良情況下的改善，以期通過這種雙饋組合能在原控制策略上有一定程度的性能提升。同時(shí)，應(yīng)該注意到a的實(shí)質(zhì)可理解是為了充分利用軸功率，控制加、減速的運(yùn)行時(shí)間，從而在保證達(dá)到規(guī)定速度的同時(shí)，獲得節(jié)能效果。
    但是應(yīng)該看到，加速度是一個(gè)噪聲影響性強(qiáng)、變化波動(dòng)劇烈、非線性的參量，要對其加以控制，傳統(tǒng)控制平臺(tái)已不適用。模糊控制系統(tǒng)是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，它不需要建立對象的精確數(shù)學(xué)模型，只要求把現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)總結(jié)成比較完善的語言控制規(guī)則，因此它能繞過對象的不確定性、不精確性，噪聲以及非線性、時(shí)變性、時(shí)滯等影響，模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其對像此處a強(qiáng)時(shí)變耦合的非線性系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性。
    另外，通過在系統(tǒng)中引入ITAE和P兩個(gè)性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性分析，以期能及時(shí)準(zhǔn)確地觀測系統(tǒng)輸出跟蹤控制輸入的變化情況。ITAE是時(shí)間乘以誤差絕對值積累的性能指標(biāo)，能夠綜合評價(jià)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)對多個(gè)加權(quán)因子進(jìn)行尋優(yōu)，離散形式為：
    △JITAE=t|E|△T       (1)
    選取超調(diào)量P作為衡量模糊控制的精確度指標(biāo)，對于期望輸出yk，而實(shí)際的輸出，則有：
   

2 關(guān)于加速度下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    圖1為加速度調(diào)控雙饋系統(tǒng)工作流程，該系統(tǒng)主要包括了加速度和速度反饋雙環(huán)、模糊控制系統(tǒng)、異步電動(dòng)機(jī)及其他相關(guān)模塊。

    圖中ASR：速度調(diào)節(jié)器，Aψ：磁鏈調(diào)節(jié)器，ATR：轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，BRT：轉(zhuǎn)速傳感器，converter：ψ-T轉(zhuǎn)化器，
    在此系統(tǒng)中，以電動(dòng)機(jī)加速度和速度作狀態(tài)空間，建立計(jì)算矩陣為：
   
    其中：a’、ω’分別為測量誤差，c1、c2分別為處理計(jì)算補(bǔ)償量，為了使結(jié)果達(dá)到精度所需，以上四個(gè)參數(shù)均可采用實(shí)時(shí)修正。dt為時(shí)間變化量，為精度考慮可近似認(rèn)為此量取得極小。

    加速度模糊控制模塊(如圖2)作為整個(gè)調(diào)控系統(tǒng)的核心，對最終測量及調(diào)控結(jié)果起舉足輕重的效果。模糊控制網(wǎng)絡(luò)能對結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)控制，采用在線實(shí)時(shí)調(diào)控策略，通過將加速度差△a和加速度差變化量d△a／dt作為輸入量模糊控制策略跟蹤目標(biāo)加速度的方法，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)在整個(gè)過程中的實(shí)時(shí)反饋跟蹤與調(diào)整，由于不需要引入被控結(jié)構(gòu)的精確模型和參數(shù)，對于利用這種模型擴(kuò)展到多維加速度下高精度、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)分析也提供了一種途徑。本文中，為提高調(diào)控質(zhì)量，同時(shí)出于對運(yùn)算簡單化的考慮，采用二維模糊控制器模糊規(guī)則“Aiand Bi＝> Ci”并使用三角函數(shù)為隸屬函數(shù)。表1為加速度差的控制策略，其巾E和EC的變化用式(4)計(jì)算，圖3為加速度差及加速度差變化率淪域示意圖，其與控制策略表正相關(guān)。

    E=an+1-an
    EC=En+1-En       (4)
    另外，模糊控制結(jié)束后采用重心法進(jìn)行解模糊計(jì)算：
   

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及仿真說明
    本文中系統(tǒng)驗(yàn)證采用以傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用較多的TMS320F240為核心控制芯片組成電路，TMS320F240集DSP的信號(hào)高處理能力及適用于電機(jī)控制的優(yōu)化外圍電路于一體，能有效作為軟硬件支撐，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)字化控制。
    仿真所使用的主要參數(shù)為：額定電壓：UN=220V，額定頻率：fN=50Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=1440r／min，該系統(tǒng)改善前后相對速度及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較示意圖如下所示：

    仿真結(jié)果對比表明：通過使用基于加速度模糊控制的雙饋策略，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到了有效改善，相對轉(zhuǎn)速誤差所反映的電機(jī)平穩(wěn)性也得到極大改善，在電壓、力矩微調(diào)階段，能實(shí)現(xiàn)其快速的漸變過程，最大限度的減小了調(diào)整過程中的電動(dòng)機(jī)抖動(dòng)過程，使相火參數(shù)可以很好收斂到要求的輸入輸出關(guān)系，成為對于電機(jī)調(diào)節(jié)過程的又一種新控制策略。
    深入分析可以看到：單純通過以速度為核心的反饋單元，由于信號(hào)離散性存在信號(hào)丟失，對檢測帶來了較大誤差。以加速度模糊控制為核心的雙饋單元，過程中南于離散造成的信號(hào)丟失得到了有效控制，相對于前者的誤差量值有明顯改善效果。另外，如僅以速度反饋影響加減速變化，加速度動(dòng)態(tài)變化過程單一、靜態(tài)，同時(shí)受到牽引與最大電流限制，加速度使用范圍較窄，速度斜率被限制在一定范罔內(nèi)。而以加速度取代速度為動(dòng)態(tài)過程調(diào)控策略，整個(gè)過程動(dòng)態(tài)、精確，能有效降低起動(dòng)時(shí)牽引與最大電流限制的影響，加速度使用范圍擴(kuò)大，控制時(shí)間減少，過程體現(xiàn)了力的平滑過渡，小會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)控制下加減速度時(shí)的大沖擊與振動(dòng)。

4 結(jié)束語
    本文提出了一種基于加速度模糊控制下的雙饋調(diào)控策略，詳細(xì)分析了其工作原理與運(yùn)行過程，并通過引入TWS320F240DSP進(jìn)行仿真對其結(jié)果加以驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用基于加速度模糊控制下的雙饋調(diào)控策略，可使異步電動(dòng)機(jī)在全過程運(yùn)行中穩(wěn)定性得以提升，輸出電流諧波得到抑制，有效改善了波形平滑性，并呈現(xiàn)更優(yōu)秀的運(yùn)行特性，且調(diào)控過程簡單易得，能夠很好滿足對于調(diào)控方法的新要求。