高性能交流驱动控制关键技术的研究

论文摘要

交流电机是一个电场、磁场、力场多变量强耦合的复杂系统,对于三相交流异步和三相交流同步电机来说,有三个主要的共性特征是非线性、强耦合和不确定性。要使交流驱动性能有更大的提升,关键是要克服这三个特征对电机控制所带来的不利影响。本文在973数字化制造基础研究项目“高速数控机床动态行为演变及其高精度控制”及国家自然科学基金项目“基于分级模糊递阶理论的直线驱动机电系统控制策略的研究”的资助下,就高性能交流驱动中的关键技术开展研究,论文主要研究内容与创新点归纳如下:1.通过在理想条件下电机的动力学建模,分析了电机三个共性问题产生的根源。为了最大程度上减少交流电机的转矩和励磁两个方向的强耦合,完成了电机的理想模型从静止坐标系向旋转坐标系下的转换,在深刻理解电机工作机理的基础上,提出了矢量控制方法和直接转矩控制方法两种先进的电机控制方式,并且针对原理型直接转矩控制方法的缺点,提出了与SVPWM相结合的改进型直接转矩控制方式。仿真和实验结果充分证明了其正确性和有效性。2.针对不确定性的问题,本文把它分为内部和外部两个方面,分别采取参数在线估计和先进的控制策略来解决。内部的不确定性主要由交流电机参数慢时变的特性所造成的,应用基于拉格朗日算子简化的遗忘因子最小二乘在线参数估计的方法,来跟踪参数的变化。同时,研究了采用扩展卡尔曼滤波的方法实现参数的在线估计,虽然运算量较最小二乘法要大,但其最大的优点是在于对噪音的抗干扰能力。因此,为了减少运算量,需尽可能地减少待估参数。实际控制中,只对决定磁链和电磁力矩的定子电阻进行在线估计,而把其它参数的变化当成是系统的噪音。仿真和实验的结果同样都证实,以上两种在线估计方法不但能满足估计的精度,而且能满足实时性的要求。外部的不确定性主要是来自电机受到的外部扰动力矩,滑模控制因其对扰动的卓越鲁棒性能倍受关注。理论证明,只要满足一定的条件,滑模控制器对扰动是完全自适应的,本文对于这种自适应的控制器作了深入研究分析。3.针对非线性的问题,本文采取了模糊自适应控制方法,模糊控制器是一种对系统模型依赖性小的控制器,对于交流电机这样的非线性系统,采用模糊控制器可以有效地克服系统的非线性性,实现最优控制。同时,单纯形迭代搜索的方法可以很简单地实现控制参数的搜索,进一步优化控制性能。模糊控制和滑模控制相结合的自适应控制方法吸收了各自控制的优点,进而使得交流电机的控制精度和抗干扰能力都能得到很大程度的改善。4.另外一种克服非线性的办法是利用现代微分几何的工具,对非线性的交流电机系统进行等价反馈线性化同胚矩阵转换,成为一个虚拟的线性系统,应用成熟的线性系统的控制器设计手段,对虚拟的线性系统进行设计,同时也实现了电机力矩和磁链两个方向的动态解耦。对交流同步和异步电机的仿真结果也证实了其高性能的动态特性和应用前景。5.本文采用的控制平台主要由以TMS320F2812为核心的主控电路和以智能模块IPM为核心的逆变主回路所组成,同时也包括了电流、电压以及温度采样电路以及其它一些报警电路,有机地构成交流驱动系统的硬件平台。6.在应用部分,将前面理论研究部分,即关于解决交流电机强耦合、不确定性、非线性的理论研究成果,运用到高速电主轴为代表的三相异步电机和直线电机为代表的三相同步永磁电机的交流驱动系统上。实验证明,针对电机三个共性问题的理论解决方案很大程度上提升了交流电机的性能,取得了令人满意的结果。在本课题研究进行的同时,所取得的部分成果已用于生产实际中,取得了良好的经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源、意义和目的
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题意义和目的
• 1.2 高性能电机驱动的国内外发展状况及趋势
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.2.3 高性能交流驱动技术的发展趋势
• 1.3 高性能交流驱动关键技术文献综述
• 1.3.1 硬件技术的发展
• 1.3.2 软件技术的发展
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 理想条件下三相交流电机的建模及控制仿真
• 2.1 三相异步交流电机理想模型
• 2.1.1 静止三相坐标系下的异步电机动态非线性模型
• 2.1.2 静止两相坐标系下的异步电机动态非线性模型
• 2.1.3 旋转坐标系下的异步电机动态非线性模型
• 2.2 三相永磁同步电机理想模型
• 2.2.1 两相静止坐标系下的数学模型
• 2.2.2 旋转坐标系下的数学模型
• 2.3 理想状态下间接矢量控制及仿真
• 2.4 理想状态下改进型直接转矩控制及其仿真
• 2.4.1 基于直接转矩控制的高性能电机控制策略分析
• 2.4.2 改进型直接转矩控制分析
• 2.4.3 仿真分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 电机参数的辨识和在线估计
• 3.1 高性能驱动器参数在线估计的必要性
• 3.2 慢时变改进型最小二乘法的参数在线估计
• 3.2.1 最小二乘法原理
• 3.2.2 遗忘因子的最小二乘法
• 3.2.3 拉格朗日算子简化的遗忘因子最小二乘法
• 3.2.4 基于最小二乘类方法的异步电机参数在线估计及仿真
• 3.3 基于扩展卡尔曼滤波理论的参数估计方法
• 3.3.1 扩展卡尔曼滤波理论的参数估计方法
• 3.3.2 EKF方法在交流电机参数估计中的应用
• 3.3.3 EKF方法在交流电机参数估计中的仿真结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 模糊滑模自适应控制器的设计
• 4.1 交流电机的滑模控制
• 4.1.1 滑动模态
• 4.1.2 滑动模态对系统参数变化和外部扰动的鲁棒性
• 4.1.3 滑动模态变结构设计方法
• 4.1.4 滑模控制在永磁同步电机伺服控制器中应用
• 4.2 交流电机模糊控制及模糊优化
• 4.2.1 模糊控制原理
• 4.2.2 交流电机的模糊控制
• 4.2.3 模糊优化
• 4.3 交流电机的模糊滑模自适应控制
• 4.3.1 模糊滑模结合的分析
• 4.3.2 模糊滑模结合的方案
• 4.3.3 模糊滑模自适应控制器的参数自寻优
• 4.4 本章小结
• 第五章 交流电机非线性系统反馈线性化控制器的设计
• 5.1 非线性系统反馈线性化及输出跟踪设计方法
• 5.1.1 单输入单输出线性系统极点配置方法
• 5.1.2 线性系统极点配置设计方法向非线性系统的扩展
• 5.1.3 含有零点的线性系统极点配置的方法
• 5.2 基于非线性系统输出反馈线性化控制在交流电机中应用分析
• 5.2.1 永磁同步电机多目标输出跟踪控制
• 5.2.2 基于反馈线性化方法的异步交流电机动态解耦控制
• 5.3 本章小结
• 第六章 高性能交流驱动器在高速电主轴调速中的应用
• 6.1 电主轴的研究与现状
• 6.2 电主轴辨识技术
• 6.2.1 电机参数的慢时变特性
• 6.2.2 基于遗忘因子的最小二乘算法电机参数的在线估计
• 6.2.3 参数在线估计对电主轴调速系统的影响
• 6.3 参数自寻优的电主轴模糊滑模自适应控制
• 6.3.1 模糊自寻优的ASR调节器
• 6.3.2 起停性能的影响
• 6.3.3 平稳性能的影响
• 6.3.4 外部扰动的跟踪实验
• 6.4 硬件平台
• 6.5 本章小结
• 第七章 高性能交流驱动在直线伺服及非圆切削中的应用
• 7.1 直线电机的工作原理、特点及其在数控系统中的应用
• 7.1.1 直线电机的工作原理
• 7.1.2 直线电机的特点
• 7.1.3 直线电机的在数控系统中的应用
• 7.2 高性能直线交流驱动在活塞环非圆加工中的应用分析
• 7.2.1 活塞环外圆轮廓的特点
• 7.2.2 直线交流驱动伺服刀架的时域特性分析
• 7.3 实验分析
• 7.3.1 高性能直线交流电机位置伺服系统
• 7.3.2 改进型直接转矩控制与原理型直接转矩控制的比较
• 7.3.3 电机定子的扩展卡尔曼滤波在线辨识结果
• 7.3.4 不同控制策略的位置跟踪实验
• 7.4 本章小结
• 第八章 全文总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录一 微分几何的微分同胚的概念
• 附录二 本文所用符号一览
• 1 参数和物理量文字符号
• 2 常见下角标
• 3 常用缩写符号
• 附录三 IPM外围接口电路
• 附录四 实验装置实物图片
• 攻读学位期间学术成果