基于PCHD模型的感应电机变阻尼无源性控制策略

静
1
（ 1. 西安理工大学电气工程系
西安
2. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 摘要
710049 ）
提出一种基于端口受控耗散哈密顿（ PCHD）模型的感应电机变阻尼无源性控制策略，
研究了感应电机的建模与速度控制问题。基于 PCHD 系统原理，将感应电机看作是二端口的能量 变换装置，建立了感应电机的 PCHD 系统数学模型。利用互联和阻尼配置的无源性控制方法，给 出感应电机的 PCHD 系统的反馈镇定，设计了感应电机的转矩与转速控制器，推导出定子电压控 制量。为了削弱系统到达稳态期间的速度波动，采用变阻尼控制方法，变阻尼由二阶微分跟踪器 实现，可以使动态性能更加优化，转矩和转速跟踪效果更好。仿真和实验结果验证了基于 PCHD 模型的感应电机变阻尼无源性控制策略的正确性。 关键词： 变阻尼 二阶微分跟踪器 感应电机 无源性控制 中图分类号： TM343
A novel vector control method for induction motors based on port-controlled
Hamiltonian with dissipation(PCHD) model with flexible damping is proposed in this paper. The modeling and speed control of induction motor is presented. Based on PCHD systems, induction motor can be viewed as a two-port energy-transformation device, and a nonlinear mathematical model of induction motor is established. Using the passivity-based control method of interconnection and damping assignment, the feedback stabilization of induction motor system is given, the torque and speed controller of induction motor is then designed, and the required reference stator voltages are deduced. In order to overcome the speed fluctuation in the period of arriving stable state, a new control strategy is presented in, where the flexible damping is added into the controller. Flexible damping can be achieved by using second order tracking differentiator(SOTD) to restrain the fluctuation. The strategy can make dynamic performance more optimum and torque and speed tracking effect better. The experimental results verify the effectiveness of the algorithm. Keywords ： Flexible damping, second order tracking differentiator, induction motor, passivitybased control
2014 年 8 月 第 29 卷第 8 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.29 Aug.
No. 8 2014
基于 PCHD 模型的感应电机 变阻尼无源性控制策略
尹忠刚
1,2
丁虎晨
1
钟彦儒
1
刘
710048 西安
r np
（ 5）
定义系统的机械动量、状态向量、输入向量分 别为
x sT , rT , p


T
T ， p J m ， u us , s , TL


T
（ 6）
72
电 工 技 术 学 报
2014 年 8 月
取感应电机系统的 Hamiltonian（存储）函数为 电能与机械动能总和
L 0 0 Jm
（ 8）
（ 14 ）
端口受控的耗散哈密顿系统的模型为
式中，给定 J( x, u ) ，R( x) ，H (x ) ，g (x , u) 和期望稳定 的平衡点 x0 R n ，假设能找到函数 u 、J a (x )、Ra ( x) （ 9） 和一个向量函数 k( x) 满足
第 29 卷第 8 期
尹忠刚 等
基于 PCHD 模型的感应电机变阻尼无源性控制策略
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1
引言
感应电机是一种典型的高阶、多变量、强耦合
定，建立电流误差方程，设计了感应电机的转矩与 转速控制器，推导出定子电压控制量，变阻尼由二阶 微分跟踪器（Second Order Tracking Differentiator ， SOTD ）实现，改善了系统在启动或额定转速下的 动静态特性，而且对参数变化具有很好的鲁棒性， 仿真和实验结果验证了基于 PCHD 模型的感应电机 变阻尼无源性控制策略的有效性。
的非线性系统，为进一步提高交流调速系统的动、 静态性能，增强其抗干扰能力，须借助于现代的非 线性控制、智能控制等理论。 由于现代控制和智能控制的理论发展，先进的 控制算法被应用于交流电动机控制， 在矢量控制 [1,2] 和直接转矩控制 [3,4] 两种基本的电机动态模型控制 方法基础上，采用解耦后的线性控制或非线性控制 可以构成高性能的控制系统，如最优控制 [5,6] 、自适 应控制 [7] 、滑模变结构控制 [8,9] 、自抗扰控制 [10]等， 但大多是基于信号处理观点，认为被控对象和控制 器都是将输入变成输出的信号处理装置，控制目标 是减小误差信号，降低扰动输入和系统未建模动态 的影响。无源性控制撇开信号处理观点，从能量成 形的角度来研究交流电机的控制问题，认为控制 器和被控对象都是多端口的能量变换装置，从而 将 控 制目标转向应用端口受控的耗散哈密顿（ PortControlled Hamiltonian with Dissipation ， PCHD ）系 统理论，实现交流调速系统的无源性控制 [11-26] 。 文献 [27] 提出了基于能量成形和端口受控哈密 顿（ PCHD ）系统原理，针对永磁同步电机参数不 确定性所引起的转速误差，利用自适应阻尼注入控 制方法， 针对隐极 PMSM 设计了一种新型有效的控 制器。文献 [28]提出了基于滑模的无源性控制策略， 将无源性控制与滑模控制技术有效的结合，兼有两 者之长，减少了转矩脉动，系统表现出较强的鲁棒 性，控制性能良好。针对电动机转子电阻在运行中 发生未知变化，文献 [29] 设计的自适应调节器使系 统对转子电阻呈现鲁棒性，构建了带电流内环速度 控制系统，该方案保证转矩、转子磁链及转速的渐 近跟踪，但算法较为复杂。文献 [30] 采用恒定阻尼 注入，解决了电动机无源性控制系统应用于实际高 速系统时，所需大阻尼矩阵系数所造成的系统振荡 的问题，但是采用恒定阻尼注入将放大电流噪声和 引起控制器的饱和，且降低控制系统对参数变化的 灵敏度。 本文提出了一种基于 PCHD 模型的感应电机变 阻尼无源性控制策略，研究了感应电机的建模与速 度控制问题。基于 PCHD 系统原理，将感应电机看 作是二端口的能量变换装置，建立了感应电机的 PCHD 系统数学模型。利用互联和阻尼配置的无源 性控制方法，给出感应电机的 PCHD 系统的反馈镇
Passivity-Based Control Method of Induction Motors Based on Port-Controlled Hamiltonian with Dissipation (PCHD) Model with Flexible Damping
Yin Zhonggang 1,2 Ding Huchen 1 Zhong Yanru 1 Xi’an China ） Liu Jing 1 China Xi’an Jiaot ong University （ 1. Xi’an University of Technology Xi’an Abstract 710049 710048 2. State Key Lab of Electrical Insulation and Power Equipment
国 家 自 然 科 学 基 金 （ 51307139 ） ， 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 （ 20106118120003 ）和 电 力 设 备 电 气 绝 缘 国 家 重 点 实 验 室 资 助 项 目 （ EIPE13206 ）。 收稿日期 2013-02-19 改稿日期 2013-05-29
usq NhomakorabeaT
式中， 为磁链； T e 、 TL 分别是电磁转矩和负载转 矩；下标 s 、 r 和 d 、 q 分别表示电机的定子、转子 和 dq 坐标系下的直轴、交轴变量；Rs、Rr 分别是定 子和转子电阻；Rm 为电动机转动摩擦系数；L s、L r 、 L m 分别是定子电感、转子电感和互感；Jm 为转动惯 量； ω 为转子机械角速度； ω s 为定子输入电压的电 角速度（ dq 同步坐标系的旋转速度） ； ω r 为转子电 角速度； n p 为极对数。 于是有
Lm I 2 1 0 T 0 1 ， I2 ， J 2 J 2 Lr I 2 0 1 1 0