三相感应电机无速度传感器直接转矩控制技术研究

论文摘要

近年来，现代电力电子技术、微处理器技术及现代控制理论的发展，为高性能电机控制技术的发展提供了重要物质保证。同时，随着生产工艺技术及现代自动化装备水平的发展对电机驱动系统稳态性能及动态性能提出了更苛刻的要求。直接转矩控制技术与矢量控制技术同属于交流调速领域的高性能变频调速技术，目前，在该领域得到了深入地研究。尤其，直接转矩控制以其结构简单、强鲁棒性与快速性等特点受到了世界各国变频调速领域企业及科研院所更为普遍的关注，并且该技术已经成功地应用于大功率交流电机驱动系统。然而直接转矩控制技术以容差形式的Bang-Bang控制模式给系统的稳态运行带来了转矩脉动大、电流谐波成分重、定子磁链轨迹畸变等严重问题，大大限制了其应用领域，这一点已经成为传统直接转矩控制技术不可逾越的缺陷。如果将矢量控制技术与直接转矩控制技术融合，提出新的直接转矩控制理论，将会是解决此问题的最好出路。另外，对于一个高性能的速度闭环控制系统来说，速度反馈信号是必须的。无速度传感器技术对于降低系统成本，提高系统可靠性都具有非常重要的意义，并已经成为变频调速领域研究的热点问题。 为此，本文以三相感应电机无速度传感器直接转矩控制中存在的问题展开了理论与应用研究，主要工作如下。 1、针对传统直接转矩控制技术所固有的稳态运行时转矩、磁链、电流脉动大的问题，提出了一种利用转矩误差与磁链误差、通过滑模变结构控制方法实现对转矩与磁链进行控制的新的直接转矩控制方案，分别以转矩误差与磁链误差作为状态变量设计了时变积分型滑模平面，保证了趋近过程的系统状态保持在滑模面附近，减小了趋近距离，不仅提高了系统的鲁棒性，而且保证了滑模运动具有良好的动态品质；针对滑模变结构控制本身的抖振问题，提出了一种通过滞环比较器实现滑模变结构控制与传统PI控制的平滑过渡的混合滑模变结构控制方法，既能发挥滑模变结构控制的鲁棒性与快速性，又能发挥传统PI控制的平滑特性，削弱了系统的抖振。 2、针对传统伺服驱动系统的位置与速度外环PI控制的结构复杂、双闭环耦合及对参数等不确定性扰动鲁棒性差的问题，在直接转矩控制理论将电机的转矩与磁链解耦的基础上提出了基于动态神经网络的自适应控制方案，简化了控制系统结构，提高了系统对参数变化的鲁棒性，改善了伺服控制系统的动态及稳态性能。 3、基于电压模型的传统定子磁链估计方法具有开环积分的特点，直流偏置、初始值及噪声在实际应用中常常会导致积分饱和，低通滤波器代替纯积分器虽然能够解决积

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 传统的直接转矩控制原理
• 1.1.1 动态数学模型及转矩控制原理
• 1.1.2 电压空间矢量与逆变器开关状态关系
• 1.1.3 基于六边形磁链轨迹的直接转矩控制
• 1.1.4 基于圆形磁链轨迹的直接转矩控制
• 1.1.5 传统直接转矩控制系统存在的问题
• 1.2 磁链与转矩控制
• 1.2.1 基于 Bang-Bang控制的改善方法
• 1.2.2 基于 SVM控制的改善方法
• 1.3 磁链与转矩观测器
• 1.3.1 低通滤波器补偿方法
• 1.3.2 非线性观测器
• 1.4 电机参数辨识
• 1.4.1 参考模型自适应方法
• 1.4.2 人工智能技术
• 1.4.3 其它定子电阻估计方法
• 1.5 无速度传感器技术研究
• 1.5.1 基于状态方程的转速直接计算方法
• 1.5.2 基于参考模型自适应系统的转速辨识方法
• 1.5.3 基于闭环观测器的转速辨识方法
• 1.5.4 不依赖于电机模型的转速估计方法
• 1.6 本文主要工作
• 2 磁链与转矩滑模变结构控制的研究
• 2.1 基于空间矢量调制模块的总体框架
• 2.2 感应电机数学模型
• 2.3 混合滑模变结构直接转矩控制理论
• 2.3.1 滑模面的设计
• 2.3.2 滑模变结构控制律的设计
• 2.3.3 滑模变结构控制律中的参数设计
• 2.3.4 抖振问题
• 2.3.5 混合滑模变结构控制器设计
• 2.4 仿真结果
• 2.5 本章小结
• 3 感应电机位置伺服控制
• 3.1 感应电机伺服系统的模型描述
• 3.2 基于递归型神经网络的自适应控制
• 3.2.1 控制系统结构
• 3.2.2 递归型小波神经网络控制器
• 3.2.3 在线训练机制
• 3.3 仿真实验结果
• 3.4 本章小结
• 4 感应电机定子磁链观测器
• 4.1 定子磁链观测器数学模型概述
• 4.1.1 定子磁链的U-I模型
• 4.1.2 定子磁链的I-N模型
• 4.1.3 定子磁链的U-N模型
• 4.2 低通滤波器对基于 U-I模型的定子磁链估计的影响
• 4.3 可编程级联低通滤波器补偿研究
• 4.3.1 可编程级联低通滤波器补偿方案
• 4.3.2 非线性跟踪─微分器
• 4.3.3 基于可编程级联低通滤波器的定子磁链估计补偿方案
• 4.4 改进的定子磁链估计器仿真结果
• 4.5 本章小结
• 5 感应电机参数辨识研究
• 5.1 定子电阻参数的变化对定子磁链估计的影响
• 5.2 基于 MRAS的电机参数辨识研究
• 5.2.1 观测器模型的建立
• 5.2.2 基于 MRAS的辨识系统设计
• 5.3 感应电机参数辨识的仿真研究
• 5.3.1 感应电机参数独立辨识的仿真研究
• 5.3.2 感应电机参数同时辨识的仿真研究
• 5.3.3 转子电阻补偿方法
• 5.4 本章小结
• 6 感应电机无速度传感器技术的研究
• 6.1 基于转子磁链观测器的 MRAS转速辨识方法
• 6.2 基于 HFIM的转子磁链观测器
• 6.2.1 高频信号作用下转子磁链轴与其交轴方向的阻抗差异
• 6.2.2 转子磁链位置角估计原理
• 6.2.3 在定子磁链参考坐标系下高频信号注入法的实现
• 6.3 基于 HFIM的转子磁链观测器的转速辨识
• 6.3.1 基于 HFIM的MRAS转速辨识系统建立
• 6.3.2 基于 HFIM的转速辨识仿真结果
• 6.3 全速范围内转速辨识
• 6.3.1 建立统一的转速辨识自适应律
• 6.3.2 全速范围内速度辨识的仿真结果
• 6.4 本章小结
• 7 感应电机无速度传感器直接转矩控制系统的实验研究
• 7.1 系统的硬件组成
• 7.1.1 数字信号处理器 TMS320F2812的特点
• 7.1.2 功率回路的设计
• 7.1.3 检测回路的设计
• 7.2 系统的软件设计
• 7.2.1 控制程序总体结构
• 7.2.2 电压空间矢量调制的实现
• 7.2.3 定子电压与定子电流计算
• 7.2.4 基于 M/T法的测速实现
• 7.2.5 逆变器死区补偿方法
• 7.2.6 滤波器的设计
• 7.3 实验结果
• 7.3.1 转速开环条件下控制方案的比较实验结果
• 7.3.2 转速闭环条件下控制方案的比较实验结果
• 7.3.3 带载扰动条件下控制方案的比较实验结果
• 7.3.4 低速带载条件下控制方案的比较实验结果
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢