第12期 张勇军等：带有负载观测的异步电动机广义预测控制 ·1461· 广“义预测棕制回路 知，G是小于0的常数矩阵，不同的取值能够改变观 轻制率 E 电压 式(11) IGBT 测收敛速度.仿真中研究了从g=-6.0到g=- 矢量 逆变 中 选择 回路 0.5的过程后发现，增益矩阵中g的取值对缓变的 负载转矩的观测跟随性没有明显影响，如图3(a)中 滚动优化 式9) 曲线所示；但对突变的阶跃负载转矩，观测器特性输 转用 出与增益阵G关系较为密切，如果G取得偏小，收 估计 C8) 敛速度虽然较快，但会出现较大的超调，无法得到理 编码器 电动机 想的观测效果：G取值过大时会导致收敛速度变慢， IM 负载转矩观测器不能快速跟踪负载转矩观测的实际 图2基于广义预测控制的异步电动机直接转矩控制结构图 值.图3(b)中为负载转矩为阶跃信号时的转矩观 Fig.2 Schematic diagram of the GPC-DTC system 测曲线，其中曲线1为实际给定阶跃信号，曲线2~ 的负载转矩变化量生成下一采样时刻的转矩给定 4分别为g=-6.0、g=-0.5和g=-1.2时对应 值，结合磁链偏差值一同经过脉宽调制(PWM)所需 的转矩观测值I、Ⅱ和Ⅲ. 的电压矢量选择模块中.为减小低速时的转矩脉动 在广义预测控制算法中，控制时域N和加权系 现象，电压矢量选择模块采用了基于区域电压矢量 数入的选取对控制性能的影响十分显著.图4(a) 细分的方法闭产生对应的电压空间矢量，通过对任 的曲线2和曲线3分别为N=3、A=0.6和N=5、 意空间相位的合成电压矢量的合理选取使得下一个 入=0.6时的转速响应曲线，与理论分析一致.由于 采样周期中电动机能够输出符合预测控制要求的准 预测输出的电磁转矩最多只受到N个控制增量的 确动态电磁转矩 影响，所以N越小，跟踪性能越差，需要增加控制步 数来提高控制性能：但随着N增加，系统的稳定性 3仿真与实验 和鲁棒性可能会随之降低，而且会使得矩阵维数增 3.1仿真研究 加，运算量增加，使系统实时性降低.由于控制时域 为验证所设计控制算法的性能，本文采用 最少等于不稳定阻尼极点的个数，因此本文采用 MATLAB中的Simulink工具进行了仿真研究.选取 N=3 额定功率为2.2kW的异步电动机作为研究对象，其 图4(b)的曲线2和曲线3分别为N=3、入= 额定电压为380V,额定转矩为15N·m,额定频率50 0.2和N=3、入=0.4时的转速响应曲线.可见通过 Hz,极对数为2，额定转速为1430rmin,转动惯量 增大入可以实现稳定控制，但同时也减弱了控制作 为0.013kgm2.其他主要参数有：定子电阻1.405 用.所以在初始运行时，入取得较小，将其设定为接 2,转子电阻为1.395D,定子电感为0.059H,转子 近0的数.如此时系统稳定且控制量变化较大，则 电感为0.057H,互感为0.212H,定子磁链额定值为 适当增加入，直到取得满意的控制效果为止.由仿 0.8Wb.仿真中设置负载转矩初值为5N·m,调节误 真结果分析得知，较小的入和较大的N将影响系统 差限定为±0.1N·m,磁链调节限定误差为±0.02 的稳定性，而较大的入和较小的N则可能导致系统 Wb. 超调和振荡. 首先对系统的负载转矩观测器的准确性以及观 3.2实验结果 测器增益的选取进行了研究.由观测器设计原理可 基于以上仿真优化结果，在以TMS320F2812为 25 20 (a 20 10 一实际俏 1一实际值 2一观测值 2一观测值 3一观测值Ⅱ4一观测值Ⅲ 0.1 0.20.3 0.40.5 0.020.040.060.080.10 时间/s 时间s 图3负载转矩观测曲线.(a)正弦脉动信号：()阶跃信号 Fig.3 Simulation results of load torque estimation:(a)sinusoidal signal:(b)step signal第 12 期 张勇军等: 带有负载观测的异步电动机广义预测控制 图 2 基于广义预测控制的异步电动机直接转矩控制结构图 Fig． 2 Schematic diagram of the GPC-DTC system 的负载转矩变化量生成下一采样时刻的转矩给定 值，结合磁链偏差值一同经过脉宽调制( PWM) 所需 的电压矢量选择模块中． 为减小低速时的转矩脉动 现象，电压矢量选择模块采用了基于区域电压矢量 细分的方法［17］产生对应的电压空间矢量，通过对任 意空间相位的合成电压矢量的合理选取使得下一个 采样周期中电动机能够输出符合预测控制要求的准 确动态电磁转矩． 3 仿真与实验 图 3 负载转矩观测曲线 . ( a) 正弦脉动信号; ( b) 阶跃信号 Fig． 3 Simulation results of load torque estimation: ( a) sinusoidal signal; ( b) step signal 3. 1 仿真研究 为验证 所 设 计 控 制 算 法 的 性 能，本 文 采 用 MATLAB 中的 Simulink 工具进行了仿真研究． 选取 额定功率为 2. 2 kW 的异步电动机作为研究对象，其 额定电压为 380 V，额定转矩为 15 N·m，额定频率 50 Hz，极对数为 2，额定转速为 1430 r·min － 1 ，转动惯量 为 0. 013 kg·m2 ． 其他主要参数有: 定子电阻 1. 405 Ω，转子电阻为 1. 395 Ω，定子电感为 0. 059 H，转子 电感为0. 057 H，互感为0. 212 H，定子磁链额定值为 0. 8 Wb． 仿真中设置负载转矩初值为 5 N·m，调节误 差限定为 ± 0. 1 N·m，磁链调节限定误差为 ± 0. 02 Wb． 首先对系统的负载转矩观测器的准确性以及观 测器增益的选取进行了研究． 由观测器设计原理可 知，G 是小于 0 的常数矩阵，不同的取值能够改变观 测收敛速度． 仿真中研究了从 g = － 6. 0 到 g = － 0. 5 的过程后发现，增益矩阵中 g 的取值对缓变的 负载转矩的观测跟随性没有明显影响，如图 3( a) 中 曲线所示; 但对突变的阶跃负载转矩，观测器特性输 出与增益阵 G 关系较为密切，如果 G 取得偏小，收 敛速度虽然较快，但会出现较大的超调，无法得到理 想的观测效果; G 取值过大时会导致收敛速度变慢， 负载转矩观测器不能快速跟踪负载转矩观测的实际 值． 图 3( b) 中为负载转矩为阶跃信号时的转矩观 测曲线，其中曲线 1 为实际给定阶跃信号，曲线 2 ～ 4 分别为 g = － 6. 0、g = － 0. 5 和 g = － 1. 2 时对应 的转矩观测值Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ． 在广义预测控制算法中，控制时域 N 和加权系 数 λ 的选取对控制性能的影响十分显著． 图 4( a) 的曲线 2 和曲线 3 分别为 N = 3、λ = 0. 6 和 N = 5、 λ = 0. 6 时的转速响应曲线，与理论分析一致． 由于 预测输出的电磁转矩最多只受到 N 个控制增量的 影响，所以 N 越小，跟踪性能越差，需要增加控制步 数来提高控制性能; 但随着 N 增加，系统的稳定性 和鲁棒性可能会随之降低，而且会使得矩阵维数增 加，运算量增加，使系统实时性降低． 由于控制时域 最少等于不稳定阻尼极点的个数，因此本文采用 N = 3． 图 4( b) 的曲线 2 和曲线 3 分别为 N = 3、λ = 0. 2 和 N = 3、λ = 0. 4 时的转速响应曲线． 可见通过 增大 λ 可以实现稳定控制，但同时也减弱了控制作 用． 所以在初始运行时，λ 取得较小，将其设定为接 近 0 的数． 如此时系统稳定且控制量变化较大，则 适当增加 λ，直到取得满意的控制效果为止． 由仿 真结果分析得知，较小的 λ 和较大的 N 将影响系统 的稳定性，而较大的 λ 和较小的 N 则可能导致系统 超调和振荡． 3. 2 实验结果 基于以上仿真优化结果，在以 TMS320F2812 为 ·1461·