无速度传感器直接转矩控制策略的研究

论文摘要

交流调速正逐步取代直流调速，在电气传动领域占据主导地位。无速度传感器直接转矩控制技术能够提高交流传动系统的简便性、廉价性和可靠性，得到了很大的发展。本文应用先进控制理论，对无速度传感器直接转矩控制策略进行了深入研究，主要研究工作有：在建立两相静止αβ坐标系下的以定子电流和转子磁链为状态变量的感应电机模型的基础上，构建了直接转矩控制系统的仿真模型；详细讨论了直接转矩控制的低速性能、定子电阻变化、磁链观测中初始误差和直流偏移对系统性能的影响。定子磁链的准确观测对电压空间矢量的选择和转矩的观测结果影响很大，是高性能直接转矩控制的重要环节。针对传统直接转矩控制中定子磁链的开环计算方法、U-I积分器的改进方法和定子磁链观测器方法的局限性，提出了一种基于模糊截止频率可调的改进型积分器定子磁链观测器。该观测器采用模糊自适应滤波器，根据感应电机的运行状态实时在线地调整低通滤波器的截止频率，有效抑制了初始误差和直流偏移误差，提高了定子磁链的计算精度。自适应速度观测器是无速度传感器技术中最常用的方法，速度观测器的性能取决于其自身的增益矩阵G和速度自适应律的选择。目前绝大多数自适应速度观测器方案都是采用极点配置的方法来确定增益矩阵G。通过对基于极点配置的自适应观测器存在不稳定区域问题的深入研究，认为对感应电机这种高阶、多变量、强耦合的非线性对象采用极点配置的方法来确定增益矩阵G将可能导致系统的不稳定。另一方面，由于准确的转子磁链实际值的获取较为困难，现有的速度自适应律选取方案中通常忽略了转子磁链的偏差项。但对电机运行于低速发电工况的研究表明，此时转子磁链的偏差比定子电流的偏差大很多，不能忽略，否则会影响观测器的快速性和稳定性。本文提出了一种能在全速范围稳定工作的自适应速度观测器。一方面，依据Lyapunov稳定性理论进行观测器的矩阵增益G的选取。在定义Lyapunov函数时，通过引入待定矩阵P将Lyapunov不等式转化为关于G和P的双线性矩阵不等式，利用Matlab LMI工具箱并采用迭代算法求解得到使观测器稳定的增益矩阵G和矩阵P。另一方面，通过采用基于模糊截止频率可调的改进型积分器定子磁链观测器获得的定子磁链值，计算得到了较为逼近实际值的转子磁链，实现了在速度自适应律中可同时包含电流偏差项和转子磁链偏差项。由于正确选择了增益矩阵G和速度自适应律，从而确保自适应速度观测器的Lyapunov不等式在全速范围内都成立，克服了传统观测器存在不稳定区域和速度辨识不准确的缺点。在感应电机的运行过程中定子的电阻值会随着温度的变化而变化，如果直接转矩控制系统中采用的定子电阻值与实际值不匹配，将会产生较大的定子磁链和转速估计误差，甚至会导致系统不稳定。因此需要对定子电阻进行在线辨识。本文在分析直接转矩控制中基于极点配置的定子电阻辨识方法存在的局限性的基础上，提出了一种严格保证Lyaponov不等式成立的条件下的定子电阻的辨识律，并加入到基于LMI的自适应速度观测器中实现定子电阻的在线辨识，提高了磁链和转速辨识的精度，改善了系统的性能。在Matlab 6.5／Simulink环境下，采用空间矢量调制技术取代传统直接转矩控制的开关表方案改善低速性能，引入模糊自适应PI速度调节器取代PI速度调节器提高系统的快速性和鲁棒性，建立了无速度传感器感应电机直接转矩控制的仿真平台，对论文中提出的策略和方案进行了仿真实现，仿真结果证明论文提出的无速度传感器直接转矩控制策略能实现调速系统全速范围稳定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 直接转矩控制系统
• 1.3 定子磁链的计算和观测
• 1.4 定子电阻的辨识
• 1.5 无速度传感器技术
• 1.5.1 无速度传感器技术的发展现状
• 1.5.2 全阶自适应速度观测器的稳定性分析
• 1.6 论文的主要内容
• 第二章 直接转矩控制仿真平台的建立
• 2.1 感应电机仿真模型的建立
• 2.1.1 感应电机的数学模型
• 2.1.2 感应电机的仿真模型
• 2.2 直接转矩控制
• 2.2.1 电压空间矢量
• 2.2.2 磁链运动轨迹
• 2.2.3 转矩控制
• 2.3 直接转矩控制仿真研究
• 2.3.1 系统主要环节仿真模型建立
• 2.3.2 仿真结果分析
• 2.4 直接转矩控制研究存在的问题
• 2.4.1 直接转矩控制低频的波动
• 2.4.2 定子电阻变化对直接转矩控制的影响
• 2.4.3 积分初始值和直流偏移对定子磁链辨识影响
• 2.5 小结
• 第三章 模糊截止频率可调的改进型积分器定子磁链观测器
• 3.1 U-I积分器及改进方法分析
• 3.1.1 三种常见的定子磁链开环估计方法比较
• 3.1.2 U-I模型的不足
• 3.1.3 低通滤波器法
• 3.1.4 改进型积分器
• 3.2 基于全阶状态观测器的定子磁链观测
• 3.2.1 全阶磁链闭环观测器的结构
• 3.2.2 基于全阶状态观测器定子磁链观测的仿真
• 3.3 基于截止频率可调的改进型积分器
• 3.3.1 模糊自适应滤波器的设计
• 3.3.2 截止频率可调的改进型积分器的仿真
• 3.4 小结
• 第四章 基于极点配置的自适应观测器感应电机转速辨识
• 4.1 基于极点配置的自适应速度观测器
• 4.1.1 Lyapunov稳定性理论
• 4.1.2 全阶自适应状态观测器
• 4.1.3 速度辨识自适应机构
• 4.1.4 观测器增益G的选取
• 4.1.5 仿真研究与结果
• 4.2 观测器增益矩阵选取的改进方案
• 4.2.1 两相同步旋转坐标系下的自适应磁链观测器
• 4.2.2 观测器增益选取的改进
• 4.2.3 观测器增益选取改进方案的不足
• 4.3 观测器稳定性分析
• 4.3.1 极点配置观测器不稳定的原因
• 4.3.2 观测器中速度辨识律选择的原则
• 4.4 小结
• 第五章 基于LMI的自适应观测器感应电机转速辨识
• 5.1 自适应速度观测器
• 5.1.1 观测器基本结构
• 5.1.2 采用Lyapunov理论推导自适应方案
• 5.2 状态观测器增益矩阵G的选取
• 5.2.1 Lyapunov不等式转化为线性不等式
• 5.2.2 线性矩阵不等式（LMI）
• 5.2.3 观测器增益G的求解
• 5.3 基于自适应观测器直接转矩控制仿真研究与结果
• 5.3.1 自适应辨识机构仿真模型
• 5.3.2 仿真研究与结果
• 5.4 小结
• 第六章 基于观测器的定子电阻辨识研究
• 6.1 定子电阻变化对系统的影响
• 6.2 基于极点配置的观测器定子电阻辨识
• 6.2.1 感应电机定子电阻辨识方案
• 6.2.2 仿真研究与结果
• 6.3 基于LMI观测器的定子电阻辨识
• 6.3.1 感应电机定子电阻辨识方案
• 6.3.2 仿真研究与结果
• 6.3.3 两种定子电阻辨识方案的对比
• 6.4 小结
• 第七章 系统仿真研究
• 7.1 系统总体方案
• 7.1.1 系统框图
• 7.1.2 系统工作原理
• 7.2 系统的实现
• 7.2.1 检测单元
• 7.2.2 磁链转矩计算单元
• 7.2.3 自适应辨识机构
• 7.2.4 模糊PI速度调节器
• 7.2.5 SVM-直接转矩控制的实现
• 7.3 系统仿真模型的建立
• 7.3.1 仿真模型的整体结构
• 7.3.2 各个模块的仿真模型
• 7.4 系统仿真研究
• 7.4.1 典型工况下系统仿真分析
• 7.4.2 定子电阻发生变化时系统仿真分析
• 7.4.3 定子磁链观测时存在初始值误差和直流偏移时系统仿真分析
• 7.5 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 图索引
• 表索引
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果目录