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交流电动机的无源性控制与扰动抑制技术
摘 要：随着交流电动机被广泛运用在各式各样的领域中，交流电动机的控制技术就受到大家的重视。作为一种非线性的系统，交流电动机具有高阶、强耦合、参数时变等特点，属于复杂系统，交流电动机自适应扰动抑制方法与其无源性控制相结合，使得电动机的实际仿真效果、外部扰动环境下稳定等性能都较高，因此，交流电动机的无源性控制与扰动抑制技术作为国内外研究的重点。本文就交流电动机的无缘性控制原理、扰动抑制原理展开分析，就其技术进行研究。
关键词：交流电动机 扰动抑制技术 自适应控制 无源性控制
交流电动机主要是将交流电的电能转换为机械能的一种机器，而基于交流电动机的电气传动系统被广泛运用在各行各业中，这也给交流电动机自适应性提出了更大的挑战。随着交流电动机被运用在多种多样的领域中，其具有的高阶、多变量以及强耦合、参数时变等非线性系统特征表现得非常明显。基于电机端口的受控研究，下文针对目前国内外对交流电动机的无源性控制和扰动抑制技术现状进行分析，就其原理展开研究。
一、国内外对交流电动机控制技术的相关研究现状
1.1 交流电动机速度控制主电路与控制电路
事实上，交流电动机的速度控制主要以大功率电力电子器件为主，随着电力电子技术的发展，交流电动机控制理论被广泛使用，这也给交流电机拖动的开发提供了良好的环境和基础。目前，控制电路主要还是以DSP和单片机为主，电子控制器的数字化控制发展使得设备的性能大大提升，控制算法也得到了进一步的优化，模糊控制、神经网络控制等复杂控制也逐渐被应用起来。作为电机调速的重要组成部分，智能功率模板成为了新一代的主控电路，通过将功率开关期间和驱动电路进行集成，内设过电压、过电流等故障检测电路，将检测信号传输到CPU中。它由高速低功耗的管芯与优化门极驱动电路、快速保护电路等部件构成，能够在发生负载事故或者使用不恰当时，也能保证智能功率模块安全稳定运行。
1.2 交流电动机的控制策略
早前的交流传动属于不可调传动，而随着电子控制技术的飞速发展，交流可调传动也逐渐开始广泛起来。常用的稳态模型控制方案主要由开环恒V/F比控制、闭环转差频率控制等。且前者是一种开环的控制方式，与变压变频控制不同，其不对速度进行反馈控制，而闭环转差属于直接转矩控制，因其实现了对电动机转矩的控制，从而拥有较强的动态性能，系统稳态误差也较小。基于交流电动机动态模型的控制方法分为矢量控制和直接转矩控制两种，矢量控制实现了磁链与转矩的解耦，可以进行独立控制，而直接转矩控制的计算量小、静态和动态性能优良。
1.3 交流电动机非线性控制方法
前面说到，交流电动机是一种非线性的对象，而无论是矢量控制还是直接转矩控制，都不能很好的对其动态过程进行描述。所以自适应控制、反馈线性化控制以及滑膜变结构控制等都为电动机的非线性控制提供了方式。自适应控制研究对象具有一定的不确定性，包括描述被控对象、环境数学模型的不确定性，以及一些未知因素和随机因素。这些不确定性有时是在系统内部，而有时却在系统外部发生。从内部来讲，描述被控对象的数学模型起结构与参数就具有很大的不确定性，而这种基于数学模型的控制方法在电动机自适应控制中得到了很好的发挥。反馈线性化控制的整体较为精确，适合系统的整个分析域。滑膜变结构控制能偶使系统结构随时变化的开关特征，但当系统再不同滑膜轨迹中时，频率切换可能伴随着高频的抖动。
二、交流电动机的无源性控制原理分析
2.1 系统无源性
无论是哪种机械系统，如果没有外界能量加以支持，其动能与势能之和总是趋近于零的，且其系统速度、位移也是趋向于零的。简单了说，系统稳定时，如果缺少外界能量注入，系统指挥消耗能量，而这种能量不可能放大，而只要停止向外界或者内容注入能量，系统的能量之和必将趋近于零，以此来达到稳定的状态。对于非线性系统来说，公式中，u、y分别表示尾数相同的系统输入与输出，其中f(0)=0，h(0)=0.
另外，系统的无源性还是反应电机在运行过程中所消耗的能量特征。对于一般的能量供给量来说，考虑s(u，y)为单位时间内以外不注入能量为输出输入信号函数，那么耗散的计算方法则为：
v(x(T))-v(x(0))≤
2.2 能量成形与无源性
因考虑到电机系统的能量成形与无源性，通过成对的变量uRm、yRm与外界相连，其结果满足能量平衡方程。
H[x(t)] H[x(0)] =
该方程表示系统存储的能量与外界供给能量和系统耗散的能量差相等。而公式中的H(x)表示讷讷过量存储函数，xRn表示状态向量，d(x(t)，t)表示具有耗散效应的非负函数。满足能量平衡方程式的系统属于无源性控制系统，且H(x)≥c，此时的c就表示能量函数的下界，y则表示无源输出。具体如图1所示。
2.3 感应电动机的无源性控制原理
感应电动机是交流电动机非线性、多变量以及强耦合特点表现明显的一个典型，近年来，随着非线性控制理论深入广泛的研究，使得感应电机控制成为主导潮流。为了克服反馈线性化、无源性控制等需要考虑奇异点的问题，无源性控制利用输出反馈使得电机闭环系统表现为无源映射，从上面所提到的电机能量方程入手，采用不影响其稳定性的无功力简化控制器设计。此时，坐标的变化并不影响系统的无源性，所以，选择不同的输出函数与能量函数，设计出多种无源性控制，来实现对系统的全局稳定性控制。
三、交流电动机的自适应L2扰动抑制控制技术
进行交流电动机调速时，常常会遇到因负载转矩存在扰动或者电机参数时变等因速度影响电动机的调速。此时，如果仅仅适应状态误差PCH控制方法，往往达不到理想的效果，而采用无源性控制与自适应L2扰动抑制技术结合的方式，能够有效提高控制效果，达到所需性能要求。在电动机负载扰动但参数无变化的情况下，利用L2增益扰动抑制和状态误差PCH控制结合可以推算出速度控制器;而当发生负载转矩存在扰动或者电机参数时变是，就要通过自适应L2扰动抑制和状态PCH相结合的颁发来求得速度控制器。
当系统无缘时，供给量s(u，y) = yTu就是耗散的，因此系统的供给量就是s(u，y) = γ22-2是耗散的，此时γ为整数，那么就说无源系统有小于整数γ的L2增益。
针对异步电动机传动系统而言，通过建立异步电动机端口受控哈密顿系统模型，来构建闭环状态误差PCH系统。在互联和阻尼配置能量成形方法的基础上得到负载转矩恒定控制器，如果想要单纯依靠这些方法来控制系统是不可能的。针对异步电动机传动系统中的负载转矩存在的扰动问题，我们通过在异步电动机PCH控制的基础上，采用L2增益控制方式设计控制器，对负载转矩扰动进行抑制，同时这种方式也能很好的消除稳态误差引入PI控制。根据相关仿真结果显示，所提出的这种控制方式，具有高效的转速跟踪性能和负载扰动抑制功能，是异步电动机现代非线性控制的一种有效途径。
而对于永磁同步电动机而言，针对PMSM速度控制负载扰动及参数时变的问题，可以利用状态误差PCH控制原理来设计系统速度控制器。与此同时，结合永磁同步电动机状态误差PCH控制，通过自适应L2增益扰动抑制功能，对负载转矩及参数时变扰动进行抑制。仿真结果显示，利用L2扰动抑制技术可以有效的抑制系统负载扰动，在PMSM定子电感、电阻变化情况下，也可以使用自适应L2扰动抑制控制技术，减少电机参数时变和负载扰动带来的影响，进一步加强对电机转速的控制。
四、结束语
随着交流电动机的运用越来越广泛，怎样有效的控制电机成为了领域内关注的焦点。本文介绍了交流电动机的无源性控制和扰动抑制技术，利用公式和仿真结果证明了无源性控制与能量成形的关系，并得出L2扰动抑制技术可以有效的抑制系统负载扰动。
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