感应电机矢量控制中磁链与速度观测器的设计及其方案实现

摘要

感应电机具有结构简单、控制方便、运行可靠和价格低廉等优点，被广泛应用于工农业以及航空、航天、交通运输中。随着以矢量控制为代表的现代电机控制技术的采用，由感应电机组成的运动控制系统的性能大大提高，接近甚至超过直流有刷电机。经典的矢量控制又名磁场定向控制，为了实现磁场定向，就需要包括磁链位置在内的定、转子磁链矢量的信息。而定、转子磁链信息多是通过传感器或观测器技术间接获得的。此外，考虑到速度传感器的成本及安装等因素，矢量控制的交流运动系统中要求采用无机械式速度传感器的方案。通过端部变量测量获取速度信息的观测器方案则成为解决上述问题的不二选择。
　　针对这些问题，本文在阅读了大量文献的基础上，对感应电机的定、转子磁链观测器和速度观测器进行了全面、详细地研究。主要内容如下:
　　(1)针对转子磁链估计所采用电压模型中的小信号积分问题，提出了一种改进电压模型的方法。为了消除反电势中直流偏移的影响，该方法用低通滤波取代纯积分，通过输出补偿抵消直流偏移对磁链的影响，从而提高了低速时磁链的估计精度。
　　(2)考虑到电压模型适用于高速时转子磁链的估计而电流模型满足低速时转子磁链的估计，提出了一种将电压模型和电流模型相结合的混合模型方案。通过级联结构，实现了全速范围内的转子磁链准确估计。
　　(3)针对电机参数对磁链估计精确度的影响以及无速度传感器方案的需要，提出了转速自适应的全阶磁链观测器。借助于Luenberger观测器思想和Lyapunov稳定性理论，分别设计磁链观测器和转速自适应律，提高了转子磁链的估计精度和可靠性。
　　(4)为了进一步提高磁链观测器的鲁棒性和实现无速度传感器的控制方案，提出了带转速估计的电流滑模磁链观测器。运用滑模控制的思想，构造了磁链观测器和速度观测器，为改善矢量控制系统的性能奠定基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 磁链与速度观测器的基本概念及其分类

1．2．1 状态观测器的基本概念

1．2．2 磁链与速度观测器的分类

1．3 磁链观测器和速度观测器在感应电机矢量控制中的研究现状及存在的问题

1．3．1 磁链观测器的研究现状

1．3．2 速度观测器的研究现状

1．3．3 磁链观测器和速度观测器存在的问题

1．4 本文主要内容和章节安排

1．4．1 主要内容

1．4．2 章节安排

1．5 本章小结

第2章 感应电机数学模型

2．1 感应电机三相静止坐标系下的数学模型

2．2 Glark变换和Park变换

2．3 两相静止坐标系下的数学模型

2．4 同步旋转坐标系下的数学模型

2．5 感应电机动态模型的状态空间方程

2．6 本章小结

第3章 感应电机的矢量控制及传统磁链观测器方案

3．1 矢量控制的基本思想

3．2 矢量控制的实现原理和方案实现

3．3 传统磁链观测器方案

3．3．1 电流模型

3．3．2 电压模型

3．4 本章小结

第4章 磁链观测器的研究及其设计方案

4．1 改进电压模型的设计

4．1．1 积分器问题分析

4．1．2 改进电压模型分析

4．1．3 仿真分析

4．2 闭环电压电流混合模型磁链观测器的设计

4．2．1 电压电流混合模型的思想

4．2．2 闭环电压电流模型磁链观测器的结构和数学模型

4．2．3 稳定性分析

4．2．4 闭环混合模型与开环混合模型的一致性

4．2．5 PI调节器参数的选取

4．2．6 参数敏感性分析

4．2．7 仿真分析

4．3 全阶磁链观测器的设计

4．3．1 全阶状态观测器基本原理

4．3．2 全阶磁链观测器的设计

4．3．3 仿真分析

4．4 电流滑模的磁链观测器的设计

4．4．1 滑模控制基本概念

4．4．2 电流滑模的磁链观测器设计

4．4．3 仿真研究

4．7 本章小结

第5章 速度观测器的研究及其设计方案

5．1 基于全阶磁链观测器的速度自适应设计

5．1．1 方案设计

5．1．2 仿真研究

5．2 基于电流滑模磁链观测器的速度观测器设计

5．2．1 方案设计

5．2．2 仿真研究

5．3 本章小结

第6章 感应电机控制平台实验结果分析

6．1 电流模型实验结果

6．2 改进电压模型实验结果

6．3 闭环电压电流混合模型的实验结果

6．3．1 闭环电压电流混合模型与间接矢量控制模型的定向角对比

6．3．2 基于闭环电压电流混合模型的矢量控制系统的稳态波形

6．3．3 闭环混合模型中转子磁链位置和转子位置比较

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 本文总结

7．2 本文展望

参考文献

致谢