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交流電動機的無源性控制與擾動抑制技術
摘 要：隨著交流電動機被廣泛運用在各式各樣的領域中，交流電動機的控制技術就受到大家的重視。作為一種非線性的系統，交流電動機具有高階、強耦合、參數時變等特點，屬于復雜系統，交流電動機自適應擾動抑制方法與其無源性控制相結合，使得電動機的實際仿真效果、外部擾動環境下穩定等性能都較高，因此，交流電動機的無源性控制與擾動抑制技術作為國內外研究的重點。本文就交流電動機的無緣性控制原理、擾動抑制原理展開分析，就其技術進行研究。
關鍵詞：交流電動機 擾動抑制技術 自適應控制 無源性控制
交流電動機主要是將交流電的電能轉換為機械能的一種機器，而基于交流電動機的電氣傳動系統被廣泛運用在各行各業中，這也給交流電動機自適應性提出了更大的挑戰。隨著交流電動機被運用在多種多樣的領域中，其具有的高階、多變量以及強耦合、參數時變等非線性系統特征表現得非常明顯�；陔姍C端口的受控研究，下文針對目前國內外對交流電動機的無源性控制和擾動抑制技術現狀進行分析，就其原理展開研究。
一、國內外對交流電動機控制技術的相關研究現狀
1.1 交流電動機速度控制主電路與控制電路
事實上，交流電動機的速度控制主要以大功率電力電子器件為主，隨著電力電子技術的發展，交流電動機控制理論被廣泛使用，這也給交流電機拖動的開發提供了良好的環境和基礎。目前，控制電路主要還是以DSP和單片機為主，電子控制器的數字化控制發展使得設備的性能大大提升，控制算法也得到了進一步的優化，模糊控制、神經網絡控制等復雜控制也逐漸被應用起來。作為電機調速的重要組成部分，智能功率模板成為了新一代的主控電路，通過將功率開關期間和驅動電路進行集成，內設過電壓、過電流等故障檢測電路，將檢測信號傳輸到CPU中。它由高速低功耗的管芯與優化門極驅動電路、快速保護電路等部件構成，能夠在發生負載事故或者使用不恰當時，也能保證智能功率模塊安全穩定運行。
1.2 交流電動機的控制策略
早前的交流傳動屬于不可調傳動，而隨著電子控制技術的飛速發展，交流可調傳動也逐漸開始廣泛起來。常用的穩態模型控制方案主要由開環恒V/F比控制、閉環轉差頻率控制等。且前者是一種開環的控制方式，與變壓變頻控制不同，其不對速度進行反饋控制，而閉環轉差屬于直接轉矩控制，因其實現了對電動機轉矩的控制，從而擁有較強的動態性能，系統穩態誤差也較小。基于交流電動機動態模型的控制方法分為矢量控制和直接轉矩控制兩種，矢量控制實現了磁鏈與轉矩的解耦，可以進行獨立控制，而直接轉矩控制的計算量小、靜態和動態性能優良。
1.3 交流電動機非線性控制方法
前面說到，交流電動機是一種非線性的對象，而無論是矢量控制還是直接轉矩控制，都不能很好的對其動態過程進行描述。所以自適應控制、反饋線性化控制以及滑膜變結構控制等都為電動機的非線性控制提供了方式。自適應控制研究對象具有一定的不確定性，包括描述被控對象、環境數學模型的不確定性，以及一些未知因素和隨機因素。這些不確定性有時是在系統內部，而有時卻在系統外部發生。從內部來講，描述被控對象的數學模型起結構與參數就具有很大的不確定性，而這種基于數學模型的控制方法在電動機自適應控制中得到了很好的發揮。反饋線性化控制的整體較為精確，適合系統的整個分析域。滑膜變結構控制能偶使系統結構隨時變化的開關特征，但當系統再不同滑膜軌跡中時，頻率切換可能伴隨著高頻的抖動。
二、交流電動機的無源性控制原理分析
2.1 系統無源性
無論是哪種機械系統，如果沒有外界能量加以支持，其動能與勢能之和總是趨近于零的，且其系統速度、位移也是趨向于零的。簡單了說，系統穩定時，如果缺少外界能量注入，系統指揮消耗能量，而這種能量不可能放大，而只要停止向外界或者內容注入能量，系統的能量之和必將趨近于零，以此來達到穩定的狀態。對于非線性系統來說，公式中，u、y分別表示尾數相同的系統輸入與輸出，其中f(0)=0，h(0)=0.
另外，系統的無源性還是反應電機在運行過程中所消耗的能量特征。對于一般的能量供給量來說，考慮s(u，y)為單位時間內以外不注入能量為輸出輸入信號函數，那么耗散的計算方法則為：
v(x(T))-v(x(0))≤
2.2 能量成形與無源性
因考慮到電機系統的能量成形與無源性，通過成對的變量uRm、yRm與外界相連，其結果滿足能量平衡方程。
H[x(t)] H[x(0)] =
該方程表示系統存儲的能量與外界供給能量和系統耗散的能量差相等。而公式中的H(x)表示訥訥過量存儲函數，xRn表示狀態向量，d(x(t)，t)表示具有耗散效應的非負函數。滿足能量平衡方程式的系統屬于無源性控制系統，且H(x)≥c，此時的c就表示能量函數的下界，y則表示無源輸出。具體如圖1所示。
2.3 感應電動機的無源性控制原理
感應電動機是交流電動機非線性、多變量以及強耦合特點表現明顯的一個典型，近年來，隨著非線性控制理論深入廣泛的研究，使得感應電機控制成為主導潮流。為了克服反饋線性化、無源性控制等需要考慮奇異點的問題，無源性控制利用輸出反饋使得電機閉環系統表現為無源映射，從上面所提到的電機能量方程入手，采用不影響其穩定性的無功力簡化控制器設計。此時，坐標的變化并不影響系統的無源性，所以，選擇不同的輸出函數與能量函數，設計出多種無源性控制，來實現對系統的全局穩定性控制。
三、交流電動機的自適應L2擾動抑制控制技術
進行交流電動機調速時，常常會遇到因負載轉矩存在擾動或者電機參數時變等因速度影響電動機的調速。此時，如果僅僅適應狀態誤差PCH控制方法，往往達不到理想的效果，而采用無源性控制與自適應L2擾動抑制技術結合的方式，能夠有效提高控制效果，達到所需性能要求。在電動機負載擾動但參數無變化的情況下，利用L2增益擾動抑制和狀態誤差PCH控制結合可以推算出速度控制器;而當發生負載轉矩存在擾動或者電機參數時變是，就要通過自適應L2擾動抑制和狀態PCH相結合的頒發來求得速度控制器。
當系統無緣時，供給量s(u，y) = yTu就是耗散的，因此系統的供給量就是s(u，y) = γ22-2是耗散的，此時γ為整數，那么就說無源系統有小于整數γ的L2增益。
針對異步電動機傳動系統而言，通過建立異步電動機端口受控哈密頓系統模型，來構建閉環狀態誤差PCH系統。在互聯和阻尼配置能量成形方法的基礎上得到負載轉矩恒定控制器，如果想要單純依靠這些方法來控制系統是不可能的。針對異步電動機傳動系統中的負載轉矩存在的擾動問題，我們通過在異步電動機PCH控制的基礎上，采用L2增益控制方式設計控制器，對負載轉矩擾動進行抑制，同時這種方式也能很好的消除穩態誤差引入PI控制。根據相關仿真結果顯示，所提出的這種控制方式，具有高效的轉速跟蹤性能和負載擾動抑制功能，是異步電動機現代非線性控制的一種有效途徑。
而對于永磁同步電動機而言，針對PMSM速度控制負載擾動及參數時變的問題，可以利用狀態誤差PCH控制原理來設計系統速度控制器。與此同時，結合永磁同步電動機狀態誤差PCH控制，通過自適應L2增益擾動抑制功能，對負載轉矩及參數時變擾動進行抑制。仿真結果顯示，利用L2擾動抑制技術可以有效的抑制系統負載擾動，在PMSM定子電感、電阻變化情況下，也可以使用自適應L2擾動抑制控制技術，減少電機參數時變和負載擾動帶來的影響，進一步加強對電機轉速的控制。
四、結束語
隨著交流電動機的運用越來越廣泛，怎樣有效的控制電機成為了領域內關注的焦點。本文介紹了交流電動機的無源性控制和擾動抑制技術，利用公式和仿真結果證明了無源性控制與能量成形的關系，并得出L2擾動抑制技術可以有效的抑制系統負載擾動。
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