异步电机四象限驱动系统的非线性控制

摘要

基于背靠背(Back-to-Back)变流器的新型异步电机(Induction Motor，IM)驱动系统因具有能够实现能量双向流动、电机四象限运行、直流母线电压可控等诸多优势而在工业传动领域得到了广泛的应用。但由于Back-to-Back变流器与IM组成的四象限交流传动系统具有多变量、强耦合、参数时变等特性，使得传统的PID控制很难获得良好的控制性能。为了提高系统的性能，本文基于矢量控制、自适应控制、滑模控制、端口受控哈密顿（PCH）系统理论以及反步法等理论，求取了IM四象限驱动系统的滑模与PCH复合控制器以及反步自适应控制器，并通过将它们的仿真结果与传统矢量控制仿真结果做对比，分析了它们的控制性能。 第一，介绍了课题的研究目的和意义。阐述了IM四象限驱动系统的国内外研究情况，着重探讨了系统的主电路、控制电路以及控制策略的研究状况。 第二，介绍了Back-to-Back变流器以及电机四象限驱动的原理。建立了Back-to-Back以及IM的数学模型。 第三，研究了IM四象限驱动系统的矢量控制。此部分以矢量控制理论为基础，求取了系统的矢量控制器。仿真结果显示，虽然传统的矢量控制能够基本满足异步电机四象限驱动系统的控制要求，但是，在保证直流母线电压稳定、电机速度精确跟踪方面存在缺陷。 第四，研究了IM四象限驱动系统的滑模与哈密顿复合控制。为改善IM四象限驱动系统的性能，将滑模与PCH理论相结合，求取了系统的滑模与PCH复合控制器。仿真结果表明，异步电机四象限驱动系统的滑模与PCH复合控制可实现电机四象限运行、直流母线电压可控且稳定等控制目标。 第五，研究了IM四象限驱动系统的反步自适应控制，针对系统的多变量、参数时变、电机运行状态切换频繁等特点，将自适应控制与反步法相结合，求取了IM四象限驱动系统的反步自适应控制器。仿真结果表明，本章设计的四象限IM速度伺服系统能够很好的满足系统的控制要求。 综上所述，本文以基于Back-to-Back变流器的IM四象限驱动系统为控制对象，将滑模与PCH理论相结合，研究了IM四象限运行以及能量双向流动的问题，求取了系统的滑模与PCH控制器，实现了能量双向流动、IM四象限运行、直流母线电压稳定以及网侧单位功率因数等控制目标。另外，针对IM四象限驱动系统的自身参数、负载以及电机运行状态时变的特性，将自适应理论与反步法相结合，求取了系统的反步自适应控制器，提高了系统的稳态和动态性能。

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