提升感应电机控制系统鲁棒性能的转速辨识方法研究

摘要

对变频调速系统而言，安装速度传感器增加了传动系统的价格、降低了系统可靠性、而且易受工作环境的影响，因此，无速度传感器控制技术成为当前交流电机调速领域的一个重要研究方向。随着各类高新科学技术更广泛地应用于工业场合，无速度传感器调速系统不仅需要在普通工况下达到优良的控制性能，而且要求调速系统具有优异的鲁棒性能，能够在受到外部或内部干扰时保证系统的可靠运行。本文以感应电机为研究对象，选取全阶自适应观测器和滑模观测器这两种具有代表性的转速辨识方法，针对其鲁棒性能提升关键技术进行深入研究，通过引入鲁棒控制策略，提升了观测器的鲁棒性能，保证了调速系统在受到干扰时的稳定可靠运行。 全阶自适应观测器具有转速估计精度高、算法通用性好等特点，然而，当系统出现粗差干扰时，全阶自适应观测器的转速辨识精度会急剧下降，严重时可能导致系统出现不稳定现象。为解决这一问题，本文提出一种基于鲁棒全阶自适应观测器的感应电机转速辨识方法，通过深入分析粗差干扰对全阶自适应观测器转速辨识性能的影响，将抗差机理引入全阶自适应观测器，在系统出现粗差干扰时，实时调节反馈增益矩阵系数，有效降低了外部粗差和内部估算误差对观测器估计性能的影响，提升了全阶自适应观测器的鲁棒性能。 滑模观测器采用变结构控制，其结构简单、易于实现，然而，在传统滑模观测器中，通常只关注空间状态点能否通过滑动模态过程最终到达滑模面，即滑模观测器能否保持稳定，而忽略了空间状态点到达滑模面的运动轨迹，这使得滑模观测器的动态性能和抗扰能力受到了限制。为解决这一问题，本文提出一种基于改进等速趋近律滑模观测器的感应电机转速辨识方法，该方法将等速趋近律引入滑模观测器中，对空间状态点的运动轨迹进行控制。同时，结合滑模观测器的应用特点对等速趋近律进行优化，在保证滑模观测器稳定的基础上有效提高了系统的动态响应和鲁棒性能。 传统滑模观测器存在着快速响应与抖振抑制不能兼顾的问题，当加快空间状态点到达滑模面的速度，即提高滑模观测器的动态响应时，观测器固有的抖振问题会变的更加严重；当通过减小滑模增益来削弱抖振现象时，滑模观测器的动态响应会变慢，其鲁棒性能也会随之下降。为解决这一问题，本文提出一种基于改进指数趋近律滑模观测器的感应电机转速辨识方法，将指数趋近律引入滑模观测器中，通过实时调节指数趋近律增益对其进行优化，在保持滑模观测器快速响应的同时抑制了抖振现象，并增强了观测器对电机参数变化和外部负载扰动的鲁棒性能。 模型预测控制作为一种新型控制方法备受关注，目前，感应电机模型预测控制的无速度传感器应用尚处于研究阶段，模型预测控制固有的采样频率高、计算量大、开关频率不固定等问题使得应用于模型预测控制的感应电机转速辨识方法往往难以达到理想的控制性能，这极大地限制了模型预测控制的推广应用和产业化进程。为提高感应电机无速度传感器模型预测控制系统的控制性能，特别是低速性能，本文提出一种基于双辨识参数全阶自适应观测器的感应电机无速度传感器模型预测控制方法，该方法在辨识转速的同时在线辨识定子电阻，有效降低了低速时定子电阻变化对转速辨识性能的不利影响，具有优异的低速带载能力。此外，将模型预测控制与滑模观测器相结合，研究了一种基于改进指数趋近律滑模观测器的感应电机无速度传感器模型预测控制方法，该方法通过观测器实现电机转速和磁链的准确辨识，获得了良好的控制效果和鲁棒性能，为模型预测控制的深入研究和产业化应用提供了切实可行的解决思路。

目录

主要符号表

1 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 感应电机控制方法研究现状

1.2.1 感应电机控制方法概述

1.2.2 感应电机新型控制方法

1.3 感应电机转速估计方法研究现状

1.3.1 基于感应电机非理想特性的转速估计方法

1.3.2 基于感应电机模型的转速估计方法

1.4 感应电机无速度传感器调速系统鲁棒性能分析

1.5 本文主要研究内容

2 感应电机无速度传感器调速系统及其鲁棒性能分析

2.1 引言

2.2 感应电机数学模型

2.2.1 三相坐标系下的感应电机数学模型

2.2.2 两相坐标系下的感应电机数学模型

2.2.3 按转子磁场定向的感应电机数学模型

2.3 感应电机无速度传感器调速系统

2.4 影响感应电机无速度传感器调速系统鲁棒性能的主要因素

2.4.1 调速系统非线性因素

2.4.2 感应电机定子电流检测精度

2.4.3 感应电机参数变化

2.4.4 转速、磁链辨识准确性

2.5 本章小结

3 基于全阶自适应观测器的感应电机无速度传感器矢量控制系统鲁棒性能研究

3.1 引言

3.2 全阶自适应观测器基本原理

3.3 全阶自适应观测器转速估计系统稳定性分析

3.4 基于全阶自适应观测器的感应电机无速度传感器矢量控制

3.4.1 基本结构

3.4.2 仿真研究

3.4.3 实验研究

3.5 基于鲁棒全阶自适应观测器的感应电机无速度传感器矢量控制

3.5.1 粗差对全阶自适应观测器鲁棒性能的影响

3.5.2 鲁棒全阶自适应观测器

3.5.3 仿真研究

3.5.4 实验研究

3.6 本章小结

4 基于滑模观测器的感应电机无速度传感器矢量控制系统鲁棒性能研究

4.1 引言

4.2 滑模观测器基本原理

4.3 基于滑模观测器的感应电机无速度传感器矢量控制

4.3.1 基本结构

4.3.2 实验研究

4.4 基于改进等速趋近律滑模观测器的感应电机无速度传感器矢量控制

4.4.1 等速趋近律滑模观测器

4.4.2 改进等速趋近律滑模观测器

4.4.3 改进等速趋近律滑模观测器稳定性与鲁棒性能分析

4.4.4 仿真研究

4.4.5 实验研究

4.5 基于改进指数趋近律滑模观测器的感应电机无速度传感器矢量控制

4.5.1 指数趋近律滑模观测器

4.5.2 改进指数趋近律滑模观测器

4.5.3 改进指数趋近律滑模观测器稳定性与鲁棒性能分析

4.5.4 仿真研究

4.5.5 实验研究

4.6 本章小结

5 感应电机无速度传感器模型预测控制系统鲁棒性能研究

5.1 引言

5.2 模型预测控制基本原理

5.2.1 预测控制概述

5.2.2 模型预测控制基本原理

5.3 感应电机模型预测控制方法

5.3.1 两电平逆变器模型

5.3.2 预测模型

5.3.3 代价函数设计

5.3.4 最优电压矢量选择

5.3.5 数字控制系统延时补偿

5.3.6 启动电流抑制

5.3.7 感应电机三种控制方法分析比较

5.4 影响感应电机无速度传感器模型预测控制系统鲁棒性能的主要因素

5.4.1 预测模型准确性

5.4.2 代价函数设计合理性

5.4.3 滚动优化复杂度

5.4.4 转速、磁链辨识准确性

5.5 基于双辨识参数全阶自适应观测器的感应电机无速度传感器模型预测控制

5.5.1 定子电阻变化对全阶自适应观测器鲁棒性能的影响

5.5.2 双辨识参数全阶自适应观测器

5.5.3 优化增益矩阵

5.5.4 实验研究

5.6 基于改进指数趋近律滑模观测器的感应电机无速度传感器模型预测控制

5.6.1 基本结构

5.6.2 实验研究

5.6.3 两种感应电机无速度传感器模型预测控制系统对比分析

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致 谢

参考文献

在校学习期间主要研究成果