基于自适应全阶观测器的异步电机无速度传感器控制算法研究

摘要

为解决日益突出的原油供给短缺和环境污染问题，新能源汽车受到广泛关注，并在系列政策激励下得到快速发展，趋于普及。异步电机由于具有成本低，调速性能优越，设计技术成熟等优点，而被广泛用于新能源汽车电驱动中。矢量控制能够获得良好的稳态和动态性能而成为异步电机的主流控制方案。速度作为矢量控制算法的重要信息，多通过旋变、光电编码器等机械部件获得，这不仅增加了控制系统成本，而且增加了安装布线的复杂性，降低了系统运行可靠性。因而，无速度传感器控制成为学界研究的热点和难点问题。
　　全阶观测器因具有较好的观测精度且便于工程实现，而受到青睐。然而，异步电动机全阶观测器的稳定性问题，尤其是低速再生模式下的稳定性问题，尚未得到较好的解决，这严重制约着无速度传感器控制系统的低速运行性能。电动汽车低速大转矩的负载特性,使得无速度传感器控制系统的低速稳定性问题更加突出。本文在对全阶观测器低速稳定性进行深入分析的基础上，对比研究了现有针对稳定性提升的改进方案，并提出了一种基于误差加权自适律的全阶自适应观测器方案，有效提升了观测器的低速稳定性和动态性能。具体而言本文的主要工作有:1.在建立自适应全阶观测器传递函数的基础上，对其特征根的分布进行了讨论，并基于此对其不稳定的原因进行了剖析;2.运用劳斯-霍尔维兹稳定判据对传统自适应全阶观测器的不稳定工作区域进行了量化界定;3.对现有的改造自适应律方案进行分析，并对其所存在的问题进行了讨论;4.提出一种基于误差加权自适律的全阶自适应观测器方案，该方案直接将励磁电流分量误差引入到转速自适应律中，并通过权重系数设计获得了较好的低速运行特性;5.根轨迹对比分析表明所提自适应全阶观测器方案相比现有改进方案具有更好的稳态和动态性能;6.为了进一步揭示基于反馈矩阵设计和基于自适应律设计两种稳定性提升途径之间的关联，对两类方案进行传递函数和根轨迹进行分析揭示二者在性能上的等价性，并依据本文所设计的误差加权自适应律方案设计了其对应的误差反馈矩阵方案或得了相同的运行性能;7.搭建了异步电机的实验平台，对所设计的异步电机矢量控制、自适应全阶观测器，及其无速度传感器控制系统进行了仿真研究。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 开题研究及目的意义

1．2 异步电机控制技术

1．3 无速度传感器控制技术

1．4 本文的主要内容

第二章 异步电机数学模型及其矢量控制

2．1 异步电机数学模型

2．1．1 三相静止坐标系下异步电机数学模型

2．1．2 两相静止(αβ)坐标系下异步电机数学模型

2．1．3 同步旋转dq坐标系下异步电机的数学模型

2．1．4 异步电机T型电路及状态方程

2．2 基于转子磁链定向的异步电机矢量控制系统

2．3 基本矢量控制仿真分析

2．4 本章小结

第三章 低速运行时异步驱动转速自适应全阶观测器稳定性分析与设计

3．1 异步电机自适应全阶观测器模型

3．2 稳定性分析

3．3 转速自适应律

3．3．1 误差加权适应律

3．3．2 与现有方案的对比

3．4 仿真研究

3．5 本章小结

第四章 反馈矩阵设计和自适应律设计方案的关联性分析

4．1 反馈矩阵设计与改造转速自适应律设计两种方案的内在联系

4．1．1 反馈矩阵设计方案

4．1．2 自适律设计方案

4．1．3 两种方案的关联性

4．2 误差加权自适应方案的反馈矩阵实现形式

4．2．1 反馈矩阵设计

4．2．2 反馈矩阵设计方案附加自由度的影响

4．3 误差反馈矩阵设计方案

4．4 与典型矩阵设计方案的对比研究

4．5 仿真研究

4．6 本章小结

第五章 实验研究

5．1 实验平台构成

5．2 硬件设计

5．2．1 采样电路

5．2．2 驱动电路

5．3 控制系统软件算法设计

5．3．1 系统主程序设计

5．3．2 系统中断程序设计

5．3．3 观测器程序设计

5．4 异步电机矢量控制实验

5．5 异步电机基于全阶观测器无速度传感器控制实验

5．6 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况