基于三电平逆变器的全阶状态观测器矢量控制系统的研究

论文摘要

随着交流电机的高性能控制理论的出现,高开关频率大容量开关器件的问世以及大规模集成电路、微处理器、数字信号处理器等的进步,控制系统中广泛使用的电机由原来的直流电机转变为现在的交流电机,交流调速正逐步的取代直流调速,并逐渐向高压大功率的方向发展。三电平逆变器因为其可以实现更高的电压等级,输出较少的谐波含量等优势,在高压大功率的逆变场合得到了广泛的应用。随着矢量控制理论的提出使得电机控制技术的发展进入了一个全新的阶段,但是由于高精度、高分辨率的速度传感器价格昂贵,不仅提高了伺服驱动系统的成本,还限制了伺服驱动装置在恶劣环境下的应用,因此,无速度传感器控制技术越来越受到重视。本文对基于全阶状态观测器的矢量控制系统进行了研究。对三电平逆变器以及无速度传感器技术进行了综述,分析了三电平逆变器和无速度传感器的优势。阐述了三电平逆变器的工作原理、SVPWM即空间电压矢量控制的原理、坐标变换以及感应电机转差频率矢量控制系统的原理。在研究基于三电平感应电机转差频率矢量控制时对相关的PI控制器的参数进行理论计算,并通过MATLAB/Simulink进行了仿真,验证了参数设计的准确性,同时还具有很好的鲁棒性。并基于以上理论进一步研究了基于三电平的全阶状态观测器矢量控制系统,通过对感应电机数学模型的分析,设计出全阶状态观测器,并对其进行了极点配置,利用李雅普诺夫稳定性理论设计出辨识速度的自适应率、定子电阻以及转子时间常数的自适应律。针对以上的设计研究,通过MATLAB/Simulink对基于三电平的全阶状态观测器矢量控制系统进行了仿真研究与验证。通过仿真表明,估算转速与实际转速吻合性很好,误差很小,在允许的误差范围内。对于系统的突加转速、突加负载以及零速1.5倍转矩都能进行很好的跟踪,并有很好的动态性能。同时辨识出的定子电阻、转子时间常数也基本与真实值吻合,误差同样在允许的范围内。在本文的最后对工作进行了总结,并对以后的研究做出了分析和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 三电平逆变器简介
• 1.2.1 三电平逆变器的发展
• 1.2.2 三电平逆变器的输出电压控制方法
• 1.3 无速度传感器的研究现状与发展
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 三电平逆变器的结构与控制方法
• 2.1 三电平逆变器的基本原理
• 2.1.1 二极管箝位式三电平逆变器拓扑结构
• 2.1.2 开关状态分析
• 2.2 空间电压矢量脉宽调制策略研究
• 2.2.1 空间电压矢量脉宽调制控制的基本原理
• 2.2.2 区域判断
• 2.2.3 矢量作用时间的计算
• 2.2.4 时间状态分配
• 2.3 本章小节
• 第3章 基于三电平的异步电机矢量控制
• 3.1 矢量控制基本原理
• 3.1.1 矢量控制的基本思想
• 3.1.2 坐标变换
• 3.2 异步电机的数学模型
• 3.2.1 异步电机在三相静止坐标系上的数学模型
• 3.2.2 异步电机在两相静止坐标系上的数学模型
• 3.2.3 异步电机在两相同步旋转坐标系上的数学模型
• 3.3 三电平异步电机转差频率矢量控制
• 3.3.1 转差频率矢量控制的基本原理
• 3.3.2 转差频率矢量控制系统设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于三电平的全阶状态观测器矢量控制
• 4.1 模型参考自适应系统
• 4.2 基于三电平的全阶状态观测器速度在线辨识的基本原理
• 4.2.1 感应电机模型
• 4.2.2 感应电机全阶状态观测器转速辨识
• 4.3 基于三电平全阶状态观测器定子、转子时间常数在线辨识
• 4.3.1 感应电机全阶状态观测器定子电阻在线辨识
• 4.3.2 感应电机全阶状态观测器转子时间常数在线辨识
• 4.4 本章小结
• 第5章 仿真分析
• 5.1 MATLAB介绍
• 5.2 SVPWM仿真
• 5.3 基于三电平逆变器的转差频率矢量控制仿真模型
• 5.4 基于三电平逆变器的全阶状态观测器仿真模型
• 5.5 仿真结果分析
• 5.5.1 基于三电平逆变器的转差频率矢量控制仿真
• 5.5.2 基于三电平逆变器的全阶状态观测器矢量控制仿真
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢