基于参数辨识与状态估计的感应电机驱动控制技术研究

摘要

随着产品市场全球化进程的日益深入，感应电机驱动器在专用与通用两个方向上深入发展。为满足广泛且与时俱进的应用需求，各具特色的参数辨识与状态估计技术在感应电机驱动控制方案的研发中占据了越来越重要的位置。本文选择对基于参数辨识与状态估计的感应电机驱动控制技术进行深入研究，主要内容包括：感应电机驱动系统建模，感应电机物理参数自测定技术研究，感应电机全阶观测器技术研究，感应电机滑模观测器技术研究。这些研究对提高感应电机驱动系统性能具有重要的学术意义与应用价值。
　　感应电机驱动系统模型是物理参数辨识与状态估计技术研发的基础。本文对构成感应电机驱动系统的主要物理对象—感应电机、三相逆变器和电流数据获取通道进行建模。对于感应电机，首先讨论了其基波模型的两种典型形式，分别为直接反映感应电机物理参数抽象过程的相变量模型形式以及适于驱动控制算法开发的空间矢量模型形式。其次，对由饱和与齿槽引起的感应电机谐波效应建模，获得了感应电机谐波模型。对于三相逆变器，对逆变器的死区时间效应与器件压降效应建模，进一步推导出考虑非理想效应的三相逆变器输出电压空间矢量模型。对于电流数据获取通道，分析了通道的直流偏置误差及定标误差，获得了考虑非理想效应的测量电流空间矢量模型。
　　感应电机物理参数自测定技术是实现感应电机驱动器自试转的关键技术。本文对感应电机静止情况下的参数自测定实验进行深入分析。电压激励实验的时域分析表明阶跃电压输入下的电流响应可被分解为快变过程与慢变过程。这两个过程的特性可分别用于参数辨识瞬态实验设计。电压激励实验的参数敏感性分析揭示了各个电机物理参数相对输入电压的敏感度。电流激励实验的分析则阐明了阶跃电流输入下的电压响应函数。在这些实验分析的基础上，提出了一套无需线电压检测的感应电机物理参数自测定方案，可实现对感应电机定子电阻、总漏电感、转子电阻以及激磁曲线的辨识。根据获得的参数值，设计了一种额定激磁电流估计算法。
　　自适应观测器是最具实用价值的感应电机状态估计技术。根据对状态观测误差的处理方式，自适应观测器又有连续自适应观测器与滑模自适应观测器的分别。本文深入探讨了这两类观测器的设计问题。首先，本文对全阶观测器进行了参数敏感性分析，揭示了模型参数准确度与观测器估计准确度间的复杂非线性关系。其次，在对转速自适应过程的稳定性分析基础上，提出了一种改进转速自适应方案，解决了典型转速自适应方案在电机低速回馈模式工作情况下的不稳定问题。
　　在分析、总结滑模观测器的特性和设计要点的基础上，本文提出了一种滑模转速自适应观测器方案，给出了滑模态下的转速可辨性条件，然后又扩展应用了滑模观测器的等效控制概念，提出了一种联合滑模观测器，可实现转子磁通估计，并同时获得转子转速与转子时间常数估计值。
　　为研究文中提出的驱动控制算法，本文创建了软件仿真平台，并为文中探讨的感应电机驱动系统物理对象模型与算法创建了相应的仿真模型，扩展了软件仿真平台的物理对象模型集与逻辑对象模型集。构建了一套驱动系统原型创建平台，对本文提出驱动控制算法进行了实验研究。

目录

基于参数辨识与状态估计的感应电机驱动控制技术研究

RESEARCH ON DRIVING CONTROLTECHNIQUES OF INDUCTIONMACHINES BASED ON PARAMETERIDENTIFICATION AND STATEESTIMATION

摘 要

Abstract

物理量名称及符号表

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景、目的及意义

1.2 感应电机驱动系统的对象域模型

1.3 感应电机参数辨识技术综述

1.3.1 感应电机参数辨识的特点

1.3.2 感应电机的离线参数辨识技术

1.3.3 感应电机的在线参数辨识技术

1.3.4 感应电机的物理参数自测定

1.4 感应电机状态估计技术综述

1.4.1 过程模型选择

1.4.2 状态估计理论与方法选择

1.4.3 实验设计

1.4.4 状态计算

1.5 驱动控制算法综合技术综述

1.6 论文的研究内容及结构安排

第2章 感应电机驱动系统的物理对象建模

2.1 引言

2.2 感应电机的基波模型

2.2.1 相变量模型

2.2.2 空间矢量模型

2.3 感应电机的谐波模型

2.3.1 饱和效应谐波模型

2.3.2 齿槽效应谐波模型

2.4 三相逆变器输出电压空间矢量建模

2.4.1 三相逆变器死区时间效应建模

2.4.2 三相逆变器器件压降效应建模

2.4.3 三相逆变器输出电压空间矢量综合模型

2.5 电流数据获取通道的非理想效应模型

2.6 驱动系统的物理对象仿真模型集扩展

2.7 本章小结

第3章 感应电机物理参数自测定技术研究

3.1 引言

3.2 静止情况下的感应电机模型

3.3 静止情况下的感应电机参数自测定实验

3.3.1 参数自测定实验设置

3.3.2 电压激励实验的时域分析

3.3.3 电压激励实验的频域参数敏感度分析

3.3.4 电流激励实验分析

3.4 分离参数自测定方案

3.4.1 定子电阻与逆变器非线性效应辨识

3.4.2 总漏电感辨识

3.4.3 转子电阻与激磁曲线辨识

3.4.4 额定激磁电流计算

3.5 驱动系统原型创建平台

3.6 分离参数自测定方案的实验研究

3.7 本章小结

第4章 感应电机全阶观测器技术研究

4.1 引言

4.2 感应电机全阶观测器的参数敏感性分析及设计

4.3 感应电机转速自适应全阶观测器研究

4.3.1 转速自适应观测器设置与设计原则

4.3.2 转速自适应方案的稳定性分析

4.3.3 改进转速自适应方案

4.4 改进转速自适应全阶观测器的仿真分析

4.5 本章小结

第5章 感应电机滑模观测器技术研究

5.1 引言

5.2 滑模观测器的特性与典型结构

5.3 滑模观测器的优化实现方法

5.4 一种转速自适应滑模观测器

5.4.1 方案原理

5.4.2 方案的仿真分析

5.5 一种联合滑模观测器

5.5.1 方案原理

5.5.2 方案的仿真分析

5.6 采用滑模观测器的感应电机驱动系统实验研究

5.6.1 采用滑模自适应观测器的感应电机驱动系统实验研究

5.6.2 采用联合滑模观测器的感应电机驱动系统实验研究

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致谢

个人简历