异步电机直接转矩控制系统低速性能改进的控制策略研究

摘要

异步电机是一个多变量、强耦合、非线性时变的复杂对象，影响其直接转矩控制系统低速性能的因素较多，如定子磁链观测误差、定子电阻变化、电流检测误差、数字控制的离散效应、逆变器死区效应和控制系统采样时间等。这些因素会引起直接转矩控制系统低速运行时转矩脉动大，定子磁链内陷和电流谐波严重，使低速运行性能恶化。本文针对这些因素影响低速性能的作用机理和改进低速性能的控制策略展开深入和综合研究，以期对直接转矩控制的实际应用具有促进作用。 论文首先对低速运行转矩脉动表达式进行了推导，对低速性能影响因素的产生和作用机理进行详细分析。重点讨论了定子磁链观测方法及观测误差，磁链幅值和相位偏差、定子电阻变化和逆变器死区效应对低速性能的影响，为提出改进低速运行性能的方法和控制策略提供依据。 为了改善直接转矩控制系统性能，引入空间电压调制技术(SVM)，论文对单一工作电压矢量加零矢量，两工作电压矢量加零矢量和离散空间电压矢量调制(DSVM)三种调制技术的基本原理、系统构成及优缺点进行了对比研究。在传统DSVM的基础上，针对低速运行状态零电压工作矢量作用减弱，导致平均转矩正向偏移的问题，提出了一种改进算法，优化低速区扇区‘-’部分开关表，有效抑制了转矩正向偏移现象，减小了转矩脉动。 为了提高定子磁链估计精度，论文提出通过引入辅助变量改进递推最小二乘电机参数辨识算法。首先推导出电机转速小范围变化的辨识算法，然后通过引入辅助变量获得适用于转速大范围变化的辨识算法。这种参数辨识算法精度高，计算量小，便于在线实现。并将它用于异步电机直接转矩控制系统，提高了定子磁链观测精度，明显降低了转矩脉动和定子电流谐波。 无速度传感器控制技术是异步电机直接转矩控制系统的重要研究方向，但现有的速度辨识方法低速运行时速度辨识精度低，而且主要是针对异步电机矢量控制系统的。本文提出了一种新型的基于模型参考自适应控制(MRAC)的速度磁链自适应观测器速度辨识方法，利用MATLAB进行磁链观测器极点的配置，最终得到目标增益矩阵。再根据李亚普诺夫稳定性理论确定速度自适应律。观测器以定子电流和定子磁链为状态变量，将定子磁链观测值直接应用于直接转矩控制算法中，简化了系统结构，改善了辨识算法的时间复杂度，提高了极低速运行时的速度辨识精度。 引入人工智能方法，在模型参考自适应辨识转速和磁链的基础上，提出了一种基于神经元的异步电机转速辨识方法，相对于传统模型参考自适应方法计算简单，辨识精度高，无须计算反馈增益矩阵，便于实现。 针对逆变器死区效应对异步电机直接转矩控制低速性能的影响，综合比较了三种不同的死区补偿方法。对PBDTC死区补偿算法进行了详细分析，针对定子电流零点附近极性难以检测的问题，提出了一种电流极性检测的改进方法，通过检测续流二极管端电压获得电机电流极性，并用于基于时间补偿的死区效应补偿算法。借助MATLAB/Simulink仿真工具，验证了改进的PBDTC补偿算法的补偿效果。 研究和开发了37KW异步电机交流调速系统的实验平台。该实验平台包括主控制柜、励磁电源柜、37KW异步电机一直流发电机组和实验操作测试台，进行了硬件和软件设计。该实验平台可以完成VVVF控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等各种交流调速系统实物和半实物仿真实验。还设计和开发了基于时序控制的数字仿真平台，为全数字化控制系统的仿真提供了更加接近实际控制系统运行状态的解决方案。在实验平台上实现了传统开关表直接转矩控制算法和基于离散空间电压矢量调制的直接转矩控制及其改进算法的仿真和实验研究。仿真和实验结果均表明基于离散空间电压矢量调制的直接转矩控制及其改进算法可以有效地抑制转矩脉动，降低定子电流谐波，明显改善异步电机直接转矩控制系统低速运行性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1论文的研究背景及意义

1.2异步电机直接转矩控制基本理论

1.3影响直接转矩控制系统低速性能的主要因素

1.4 IM DTC低速性能改进的控制策略研究现状

1.5论文主要研究内容和结构

第二章异步电机直接转矩控制低速性能影响因素分析

2.1 IM DTC系统低速运行时的转矩脉动

2.2定子磁链观测误差对低速性能的影响

2.2.1定子磁链观测模型及观测误差分析

2.2.2磁链幅值观测误差的影响

2.2.3磁链相位观测误差的影响

2.3定子电阻变化对低速性能的影响

2.4逆变器功率开关器件死区效应对低速性能的影响

2.4.1定子电压计算方法及死区效应的影响

2.4.2死区效应分析

2.5小结

第三章基于空间矢量调制的低速性能改进控制策略

3.1扇区细分和电压开关表改进

3.1.1基于扇区细分和开关表改进的直接转矩控制系统

3.1.2基于扇区细分和开关表改进的直接转矩控制系统的性能

3.2 SVM-DTC

3.2.1 SVM-DTC系统

3.2.2 SVM-DTC的控制性能

3.3 DSVM-DTC

3.3.1 DSVM-DTC系统

3.3.2 DSVM-DTC的控制性能

3.3.3 DSVM-DTC系统的低速性能改进的控制策略

3.4基于模糊控制的DSVM-DTC改进控制策略

3.5仿真和实验结果

3.6小结

第四章异步电机参数辨识及速度辨识

4.1常用异步电机参数辨识方法

4.2定子磁链全阶观测器算法

4.3异步电机参数辨识

4.3.1基于最小二乘的参数在线辨识方法

4.3.3带参数辨识的IM DTC系统

4.4电机速度辨识

4.4.1模型参考自适应(MRAS)方法

4.4.2基于神经元的自适应转速辨识方法

4.4.3无速度传感器直接转矩控制系统

4.5小结

第五章IM DTC系统逆变器死区效应补偿

5.1死区效应补偿方法

5.1.1电压补偿法

5.1.2电流补偿法

5.1.3时间补偿法

5.2死区时间的MATLAB/Simulink实现

5.3基于续流二极管导通检测的死区补偿方法

5.4补偿效果及分析

5.5小结

第六章IM DTC控制系统实验和仿真平台的设计与开发

6.1系统总体设计方案及实验平台的开发

6.2硬件部分设计与开发

6.2.1控制系统硬件电路设计

6.2.2实验平台开发

6.3软件部分设计与开发

6.3.1 IM DTC算法

6.3.2低速性能改进算法

6.3.3实验平台监控软件

6.4实验结果及讨论

6.5基于控制系统运行时序的数字仿真平台

6.5.1 SVM-DTC控制系统的数字仿真平台

6.5.2仿真平台应用——电流采样点的选择

6.6小结

第七章总结与展望

参考文献

附录

致谢

作者在攻博期间发表的论文

作者在攻博期间参加的科研项目