永磁同步电机非线性及谐波参数的闭环辨识系统研究

论文摘要

电力驱动是各种机器设备的主要驱动方式,电机作为能源转换及运动执行部件,是电力驱动系统的重要组成部分。永磁同步电机转矩惯量比和可靠性高,节能效果好,在高端及传统领域均有广泛应用。然而,永磁同步电机参数的非线性及谐波使其动态及稳态控制性能降低,且目前为止,仅靠改进控制方法,其影响无法完全消除。参数辨识可基于电机的输入输出数据实时获取电机参数,是避免电机参数非线性及谐波的影响、提高电机控制性能的有效途径。本文在建立电机非线性及谐波参数辨识模型的基础上,分析并抑制闭环辨识系统环节误差对参数辨识的影响,对电机参数的闭环辨识方法进行深入研究,以实现对永磁同步电机参数的精确辨识及在线辨识的高动态品质,满足提高电机控制性能的要求。为定量分析闭环辨识系统环节误差对电机参数辨识的影响,建立了考虑闭环系统电流及编码器角位移反馈误差、逆变器电压输出误差的永磁同步电机非线性及谐波参数闭环辨识模型。基于此辨识模型,得出了采用离线稳态参数辨识方法时,闭环辨识系统环节误差对电机参数辨识结果的影响规律。在深入分析造成闭环系统电流和角位移反馈误差、逆变器电压输出误差原因的基础上,构建了电流状态观测器消除电流反馈滞后偏差;提出了基于磁场位置对电角度进行再校正的方法消除编码器角位移检测误差及谐波;建立了电流环半周期和全周期控制死区时间补偿数学模型,设计了双级电流状态观测器预测过零点电流,改进了死区时间补偿方法。通过对闭环系统关键环节误差的抑制,为电机非线性及谐波参数的辨识方法研究奠定了基础。设计了基于波波夫(Popov)超稳定性的模型参考自适应系统(MRAS)在线辨识方法对电机非线性参数进行辨识,并构建了仿真平台进行验证。为改善参数辨识的动态品质,分析了线性前向通道极点选取、自适应律参数选取、非线性反馈通道的输入对辨识参数收敛性的影响,得出了获得在线辨识高动态品质的参数调节规律。提出了基于前馈的MRAS辨识方法,进一步提高了在线辨识的动态品质。针对电机谐波参数辨识数学模型复杂,且存在各状态量谐波耦合项的问题,分析了辨识系统各状态量谐波,对辨识模型进行了简化。基于理论分析,采用对电机反电动势谐波测量计算的方法,得到了永磁体磁链的谐波幅值。为满足在线辨识电机谐波参数要求,设计了基于李雅普诺夫定理的状态观测器对电机的自感和互感谐波进行辨识,并提出了离线的频谱分析法实现了对在线方法的比较验证。研制了永磁同步电机参数闭环辨识系统,进行了闭环辨识系统环节误差抑制及参数辨识验证实验。闭环系统环节误差补偿和处理前后的辨识结果比较,证明了对闭环系统环节误差抑制的有效性;验证了改善在线辨识方法动态品质的参数调节规律以及基于前馈的MRAS方法;基于李雅普诺夫定理的状态观测器及离线的频谱分析法对电机的自感和互感谐波的辨识比较,以及把谐波辨识结果进行电压谐波前馈注入后电机运行各状态量的谐波下降,验证了谐波辨识结果的有效性。综上证明,本文所研究的闭环辨识系统可以实现对永磁同步电机非线性及谐波参数的精确辨识,满足电机参数的在线辨识应用,为提高电机控制性能奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 伺服控制与参数辨识研究现状
• 1.3 电机参数辨识研究现状
• 1.3.1 电机参数辨识数学模型研究现状
• 1.3.2 电机参数闭环辨识方法研究现状
• 1.3.3 电机参数闭环辨识误差研究现状
• 1.4 电机参数闭环辨识的关键问题
• 1.4.1 闭环系统环节误差抑制
• 1.4.2 电机非线性参数辨识的动态品质
• 1.4.3 电机谐波参数的辨识
• 1.5 课题主要研究内容
• 第2章 永磁同步电机参数闭环辨识模型
• 2.1 引言
• 2.2 电机参数闭环辨识系统构建
• 2.3 电机非线性及谐波参数辨识模型
• 2.3.1 电机非线性参数辨识模型
• 2.3.2 电机谐波参数辨识模型
• 2.4 考虑闭环环节误差的辨识模型
• 2.4.1 考虑电流传感器检测误差的辨识模型
• 2.4.2 考虑编码器角位移检测误差的辨识模型
• 2.4.3 考虑逆变器电压输出误差的辨识模型
• 2.5 电机参数的辨识误差分析
• 2.5.1 永磁同步电机参数辨识模型
• 2.5.2 闭环环节误差对参数辨识无偏性影响
• 2.5.3 闭环环节误差对非线性参数辨识精度影响
• 2.5.4 闭环环节误差对谐波参数辨识精度影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 闭环辨识系统环节误差抑制研究
• 3.1 引言
• 3.2 电流反馈误差处理
• 3.2.1 电流反馈误差分析
• 3.2.2 电流传感器零点漂移补偿
• 3.2.3 电流采样误差处理
• 3.2.4 电流反馈滞后处理
• 3.3 编码器角位移检测误差补偿
• 3.3.1 角位移检测误差分析
• 3.3.2 角位移检测误差补偿算法
• 3.4 基于双级电流状态观测器的死区时间补偿
• 3.4.1 逆变器死区时间补偿方法
• 3.4.2 双级电流状态观测器设计
• 3.4.3 逆变器死区时间补偿方法验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 永磁同步电机非线性参数在线辨识研究
• 4.1 引言
• 4.2 MRAS 在线辨识方法研究
• 4.2.1 自适应辨识模型的构建
• 4.2.2 线性前向通道的严格正实条件推导
• 4.2.3 参数辨识的自适应律设计
• 4.2.4 辨识系统的设计与实现
• 4.2.5 仿真分析
• 4.3 非线性参数在线辨识动态品质分析
• 4.3.1 线性前向通道的极点选取
• 4.3.2 自适应律参数选取
• 4.3.3 非线性反馈通道的输入
• 4.4 基于前馈的MRAS 在线辨识
• 4.4.1 前馈通道设计
• 4.4.2 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 永磁同步电机谐波参数辨识研究
• 5.1 引言
• 5.2 电机谐波参数辨识模型的简化
• 5.3 永磁体磁链谐波幅值的测量
• 5.3.1 永磁体磁链谐波幅值的测量原理
• 5.3.2 永磁体磁链谐波幅值的测量结果分析
• 5.4 基于状态观测器的电感谐波辨识
• 5.4.1 状态观测器的构建
• 5.4.2 基于李雅普诺夫的稳定性分析
• 5.4.3 仿真分析
• 5.5 基于频谱分析的电感谐波辨识
• 5.6 本章小结
• 第6章 闭环辨识系统研制与实验
• 6.1 引言
• 6.2 闭环辨识系统的研制
• 6.2.1 闭环辨识系统硬件设计
• 6.2.2 闭环辨识系统软件实现
• 6.3 闭环辨识实验
• 6.3.1 闭环环节误差补偿验证实验
• 6.3.2 MRAS 在线辨识实验
• 6.3.3 辨识结果验证实验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历