基于加速度模糊控制下的異步電動機雙饋系統(tǒng)分析

摘要：隨著速度調(diào)控策略的不斷深入與發(fā)展，希望以高精度實時控制解決異步電動機控制的要求被提上議程，特別在電動機加減速情況下，這種對于改善電流畸變和異步電動機穩(wěn)定性的要求就更加強烈。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，通過仿真驗證了該策略能有效改善電動機運行過程中的局部粗糙，使輸出波形與運行特性平滑穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：加速度；模糊控制；雙饋

    加速度作為考察電動機運行過程的重要參數(shù)，能有效反映電動機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機振動及電動機型號不同時的測量誤差與光學(xué)元件價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機的實際運行狀況，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)果的可靠性及實用性。另一方面，隨著異步電動機的廣泛應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)速度閉環(huán)調(diào)控機制，電動機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、實時調(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)控機制，能使電動機整個過程都平緩穩(wěn)定，結(jié)合模糊控制，能有效保證系統(tǒng)的魯棒性及糾錯精度，以期異步電動機的運行品質(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機電流檢測引出，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，求得電機測量轉(zhuǎn)矩T，與Tω相比較構(gòu)成轉(zhuǎn)矩反饋。而對電機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機模型輸出ω給定?；诩铀俣饶：刂葡碌碾p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，應(yīng)該注意到a的實質(zhì)可理解是為了充分利用軸功率，控制加、減速的運行時間，從而在保證達到規(guī)定速度的同時，獲得節(jié)能效果。
    但是應(yīng)該看到，加速度是一個噪聲影響性強、變化波動劇烈、非線性的參量，要對其加以控制，傳統(tǒng)控制平臺已不適用。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)的一種計算機數(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、時變性、時滯等影響，模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，尤其對像此處a強時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兩個性能指標(biāo)實現(xiàn)穩(wěn)定性分析，以期能及時準確地觀測系統(tǒng)輸出跟蹤控制輸入的變化情況。ITAE是時間乘以誤差絕對值積累的性能指標(biāo)，能夠綜合評價控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能，同時對多個加權(quán)因子進行尋優(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，而實際的輸出，則有：
   

2 關(guān)于加速度下的系統(tǒng)設(shè)計
    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)、異步電動機及其他相關(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，以電動機加速度和速度作狀態(tài)空間，建立計算矩陣為：
   
    其中：a’、ω’分別為測量誤差，c1、c2分別為處理計算補償量，為了使結(jié)果達到精度所需，以上四個參數(shù)均可采用實時修正。dt為時間變化量，為精度考慮可近似認為此量取得極小。

    加速度模糊控制模塊(如圖2)作為整個調(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)進行主動控制，采用在線實時調(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，實現(xiàn)異步電動機在整個過程中的實時反饋跟蹤與調(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展到多維加速度下高精度、實時控制系統(tǒng)分析也提供了一種途徑。本文中，為提高調(diào)控質(zhì)量，同時出于對運算簡單化的考慮，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)束后采用重心法進行解模糊計算：
   

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及仿真說明
    本文中系統(tǒng)驗證采用以傳動系統(tǒng)中應(yīng)用較多的TMS320F240為核心控制芯片組成電路，TMS320F240集DSP的信號高處理能力及適用于電機控制的優(yōu)化外圍電路于一體，能有效作為軟硬件支撐，實現(xiàn)異步電動機的數(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)矩脈動得到了有效改善，相對轉(zhuǎn)速誤差所反映的電機平穩(wěn)性也得到極大改善，在電壓、力矩微調(diào)階段，能實現(xiàn)其快速的漸變過程，最大限度的減小了調(diào)整過程中的電動機抖動過程，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，由于信號離散性存在信號丟失，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，加速度動態(tài)變化過程單一、靜態(tài)，同時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態(tài)過程調(diào)控策略，整個過程動態(tài)、精確，能有效降低起動時牽引與最大電流限制的影響，加速度使用范圍擴大，控制時間減少，過程體現(xiàn)了力的平滑過渡，小會出現(xiàn)傳統(tǒng)控制下加減速度時的大沖擊與振動。

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，詳細分析了其工作原理與運行過程，并通過引入TWS320F240DSP進行仿真對其結(jié)果加以驗證。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，可使異步電動機在全過程運行中穩(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。