异步电机变频调速系统自抗扰控制器研究

1 引言

　　在电力电子、微电子及微处理器技术的不断进步下，异步电机变频调速系统性能大幅提升。相较于传统直流电机调速系统，它以其结构简便、调速范围广、效率高、性能优越、运行稳定、安全可靠等优势，在生产领域得到了广泛应用。变频器与异步电机的组合变频调速系统，正逐步取代直流调速系统，展现出强大的发展趋势。

　　可编程逻辑控制器（PLC）被誉为现代工业自动化三大支柱之一，其控制系统稳定可靠，通讯组网灵活，易于集成到现场总线控制系统中，满足了自动化程度不断提升的需求。PLC变频调速系统凭借其卓越性能受到广泛关注，然而，针对多变量非线性强耦合的异步电机，采用常规的定参数PID控制方法，对负载变化的适应性较差、抗干扰能力弱，且易受系统参数变化影响。因此，如何在现有硬件基础上，进一步提升变频调速系统的控制性能，成为亟待解决的课题。

　　本研究在异步电机变频调速系统中引入自抗扰控制器方法，将系统内扰、外扰等视为总扰动，通过扩张状态观测器统一观测并补偿，使控制对象实现近似线性化和确定性化，从而实现非线性控制，并通过实验验证了该方案的有效性。

　　2 异步电机变频调速系统数学模型

　　由电流跟踪型SPWM逆变器供电的异步电机变频调速系统，在d、q两相旋转坐标系下的状态方程可用五阶非线性模型描述。忽略变频器时滞时，系统模型可用降阶的二阶非线性模型描述：

　　式中：ω1为电气同步角速度；ωr为转子速度；isd、isq分别为d、q轴的定子电流；ψrd、ψrq分别为d、g轴的转子磁链；np为极对数；Lm为互感；Lr为转子电感；J为转动惯量；Tr为电机转子时间常数；TL为负载转矩。

　　文献指出，在矢量运行模式下，变频器系统可逆，且整个系统可简化为转速的单输入、单输出系统。

　　3 异步电机变频调速自抗扰控制系统

　　3.1 一阶自抗扰控制器的设计

　　图1为自抗扰控制器结构图。该控制器基于跟踪微分器（TD）安排过渡过程、扩张状态观测器（ESO）估计系统状态、模型和干扰，以及非线性误差反馈（NLSEF）提供控制信号的一种非线性控制器。

　　对于矢量控制的异步电机驱动系统，采用一阶模型控制器，相应采用二阶ESO结构。矢量控制中，通常保持转子磁链恒定，利用ADRC特性，将转动惯量变化引起的系统模型误差和负载扰动等因素归入扩张状态z2统一观测并补偿。基于一阶ADRC的转速控制器原理框图如图2所示。

　　3.2 ADRC的优化

　　一阶ADRC结构中，ESO输出被控对象和未知扰动的观测值，无被控对象的微分项输出，控制器无需跟踪微分器输出，因此在ADRC结构中省略跟踪微分器环节。对于一阶对象，采用线性比例调节代替NLSEF，在保证控制器性能的前提下，有效简化模型，减少计算量，得到结构优化的一阶ADRC模型。图3为结构优化的一阶ADRC转速控制框图。优化后的转速控制器完整算法为：

　　式中：ω*为电机速度给定值；ωr为电机速度反馈ωr的跟踪信号；W(t)为总和扰动观测值；u为控制量；β01、β02为ADRC输出误差校正增益；h为采样周期；kp为比例系数；b0为补偿因子，通过整定kp、b0调整系统控制性能。

　　4 实验及结果分析

　　4.1 系统硬件连接

　　整个系统包括上位机及**软件（WinCC）、S7-300PLC，MicroMasterVector（MMV）变频器、异步电机和光电编码器，如图4所示。皖南电机

　　4.2 系统软件设计

　　4.2.1 系统通讯设计

　　系统通讯由三部分组成：①PLC与变频器之间的PROFIBUS-DP现场总线通讯，实现PLC对变频器的现场远程控制；②工控机与PLC之间的MPI通讯，一方面实现STEP7和PLC之间的通讯，完成程序上载、下载、调试、故障诊断和在线监视等；另一方面实现WinCC与PLC之间的通讯，完成过程数据的传输，系统状态的实时**；③WinCC与Excel之间的OPC通讯，通过软件实现对电机转速过程数据的归档并启用OPC通讯服务，将过程数据导出到Excel中，用于系统响应曲线的拟合和各项动静态性能指标的分析。

　　4.2.2 系统控制软件设计

　　实验中使用语句表STL在工业软件STEP7V5.2中编程。安徽皖南电机整个系统采用结构化编程，系统程序结构如图5所示。

　　4.3 ADRC的参数整定

　　研究表明，β01和β02主要由控制器的离散控制周期决定，一般为：β01=1/h，β02=1/(5h^2)。试验中速度的采样周期取为h=100ms，故取β01=10，β02=20。对于需整定的控制器参数kp、b0，实验中采用由小到大试凑法进行整定，通过现场调试和修改参数，在得到较好的动静态效果时确定一组较为理想的控制器参数，参数整定相对容易。

　　4.4 实验结果对比研究

　　变频器设定为矢量控制方式。初始速度给定为200r/min，40秒后，速度给定为周期60秒，n从200～500r/min变化的三角波得到系统的闭环响应。皖南电机价格表由图6可知，ADRC控制方式下的跟随性能明显优于常规PID控制。

　　图7a示出两种控制下系统响应曲线。由图可知，ADRC控制下系统的鲁棒性和抗干扰性优于PID控制。皖南电机图7b示出图6前40秒的局部放大图。

　　由图可知，ADRC控制方式下的动静态性能明显优于常规PID控制。

　　5 结论

　　为提升PLC变频调速系统的控制性能，本文简要介绍了变频调速系统的数学模型，设计了一种基于自抗扰控制器的异步电机变频调速系统。与传统线性PID控制方法相比，采用自抗扰控制器的变频调速系统运行性能显著提升。安徽皖南电机在保证较快的动态响应前提下，对ADRC进行优化，减少控制器参数，降低算法计算量，增强控制器的工程实用性。