异步电机全阶磁链观测器的设计分析及其应用研究

摘要

异步电机传统的V/F 控制方法原理简单、易实现、参数鲁棒性强，但是电机在低速区域存在带载能力减弱、动态响应变慢、转速精度降低等问题。标量控制与无速度传感器控制在没有速度传感器情况下，通过观测电机磁链，在以观测磁链定向的同步坐标系中控制电机电压，很好地解决了异步电机低速性能。矢量控制与直接转矩控制实现了异步电机的高性能控制，改善了电机从零速到超高速区域的动态性能以及稳态精度，目前广泛用于数控、电力机车等高性能场合。尽管控制策略不同，磁链观测在这两种控制方法中必不可少。因此深入开展异步电机磁链观测器设计研究，对改善异步电机的控制性能，扩大异步电机的调速范围是非常有意义的研究工作。
　　 全阶磁链观测器模拟电机实际运行状况，通过构建电机状态方，可以同时实现异步电机的转速辨识与磁链观测。本文以异步电机无速度传感器控制技术为应用背景，以全阶磁链观测器的反馈矩阵设计、转速自适应律设计、磁链观测器收敛性分析、磁链观测器参数敏感性分析以及全阶磁链观测器在无速度传感器控制系统中的应用为主要内容展开系统深入研究。
　　 针对电机转速在辨识得到的情况下，对全阶磁链观测器反馈矩阵进行了设计。磁链观测器的特征函数表示了磁链观测器在电流模型磁链观测器与电压模型磁链观测器之间切换的平滑程度；从双时间尺度出发，全阶磁链观测器可以分解为转速辨识系统与磁链观测系统。本文分析了反馈矩阵对全阶磁链观测器的特征函数以及转速辨识系统与磁链观测系统性能的影响，提出了一种能改善全阶磁链观测器平滑切换以及全阶磁链观测器阻尼的反馈矩阵设计方法。
　　 全阶磁链观测器的转速自适应律对观测器的稳定性有很大的影响，本文分析了基于传统转速自适应律的全阶磁链观测器稳定性，通过理论推导得到了不稳定范围，分析了不稳定原因。根据不稳定特征提出了低速回馈发电状态下的转速自适应律设计准则。零频率状态下注入低频电流，介绍了获取与磁场位置误差相关的感应电压原理，研究了辨识转速误差与磁场位置误差的关系，给出了利用感应电压设计的转速自适应律。
　　 论文分析了全阶磁链观测器的收敛性能，并与电压模型磁链观测器及电流模型磁链观测器的收敛性能进行对比。在以观测转子磁链定向的同步旋转坐标系中建立磁链观测器，推导出电机实际磁链与观测磁链的关系式，通过考察电机实际磁链以及观测磁链的收敛时间常数，分析了磁链观测器在不同转速获取方法下的收敛性能。论文分析了全阶磁链观测器的参数敏感性，并与电压模型磁链观测器及电流模型磁链观测器的参数敏感性进行对比。推导出了稳态情况下每种磁链观测器的辨识转速公式以及实际磁链与观测磁链的比值关系式，绘制出转速误差及磁链角度误差随电机转速及负载变化的三维图，通过三维图考察了磁链观测器的参数敏感性。采用小信号方法，本文研究了基于全阶磁链观测器的无速度传感器控制系统稳定性。对整个系统进行稳态工作点线性化处理，得到转速指令与实际转速之间的传递函数。通过考察传递函数极点分布，分析了无速度传感器控制系统稳定性，同时分析了电机参数误差对电机转速辨识系统影响，研究了降低转速辨识环及转速控制环带宽与改善无速度传感器控制系统稳定性之间的关系。
　　 在以TMS320F2407为控制芯片的实验装置上进行了大量物理实验。实验验证了全阶磁链观测器对电机在高中低速区域的观测性能，提出的反馈矩阵对全阶磁链观测器性能的改善以及全阶磁链观测器对定子电阻的参数敏感性。同时实验考察了基于全阶磁链观测器的无速度传感器控制系统在带载情况下的稳定性能以及抗参数扰动性能，并将基于全阶磁链观测器、电压模型磁链观测器以及电流模型磁链观测器的无速度传感器控制系统在低速区域的带载性能进行比较。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

1 绪 论

2 全阶磁链观测器反馈矩阵设计

3 全阶磁链观测器转速自适应律设计

4 全阶磁链观测器收敛性分析及其对比

5 全阶磁链观测器参数敏感性分析及其对比

6 基于全阶磁链观测器的无速度传感器控制系统稳定性研究

7 物理实验及结果分析

8 总结和展望

致 谢

参考文献

附录