基于双扩展卡尔曼滤波的异步电机自校正矢量控制系统的研究

摘要

三相异步电机动机是一个多变量的、强耦合、参数时变的复杂非线性系统,对电机磁链的观测和参数的辨识是实现高性能变频调速系统的关键,也是各国学者研究的热点。本文系统地研究了异步电机参数辨识和状态估计的方法,将适用于非线性系统状态、参数同时辨识的双扩展卡尔曼滤波算法应用于感应电机矢量控制系统中,进行电机转子电阻的辨识和转子磁链的观测,给出了一个构建高性能的自校正矢量控制系统的设计方案,并详细地阐述了该数字控制系统的硬件和软件设计。本方案利用转子电阻辨识结果实时地更新控制器中转子时间常数,将观测的磁链作为反馈,实现了转速和磁链双闭环控制。仿真和实验结果表明：采用的方案有效、可行,可在全速范围和各种工况下,提供高精度的转子电阻辨识值和转子磁链观测值,显著地提高了矢量控制系统的转速、转矩响应性能,增强了系统的鲁棒性。本文首先介绍了三相异步电机的数学模型和扩展卡尔曼滤波器的原理,推导了在静止坐标系下双扩展卡尔曼滤波器用于三相异步电机转子电阻辨识和磁链观测的算法,阐述了三相异步电动机转子磁场定向矢量控制的原理,通过Matlab仿真验证了原理的正确性。然后,基于TI公司的TMS320F2812 DSP平台,设计了该方案的主电路和控制系统硬件电路,根据控制算法和硬件结构编写了软件程序,并详细分析了软件设计中的一些关键问题：电机状态标幺模型,空间电压矢量PWM的调制方法,相电压重构和PI调节器。最后将自校正矢量控制系统用于1.1kW电机驱动,在不同工况下来考察系统的控制性能,验证了本方案在实践中的可行性和有效性。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 现代交流调速的发展

1.2 高性能变频调速的关键问题

1.2.1 感应电动机磁链观测技术概述

1.2.2 异步电动机参数辨识技术概述

1.3 本课题研究的主要内容

2 三相异步电机的数学模型

2.1 异步电机在ABC坐标系上的数学模型

2.2 电机的T型等效电路模型

2.3 坐标变换矩阵

2.4 在静止αβ坐标系上的数学模型

2.5 在任意两相同步旋转dq坐标系上的数学模型

3 基于双扩展卡尔曼滤波器的异步电机自校正矢量控制原理

3.1 卡尔曼滤波理论在系统辨识中的应用

3.1.1 卡尔曼滤波算法的原理

3.1.2 基于联合扩展卡尔曼滤波器的系统状态、参数联合估计

3.1.3 基于双扩展卡尔曼滤波器的系统状态、参数联合估计

3.2 基于双扩展卡尔曼滤波器的异步电机转子磁链观测、转子电阻辨识算法

3.3 基于双扩展卡尔曼滤波的异步电机自校正矢量控制系统结构

3.3.1 异步电机矢量控制原理和方程

3.3.2 异步电机自校正矢量控制系统原理

4 基于双EKF的异步电机自校正矢量控制系统仿真与分析

4.1 自校正矢量控制系统Matlab仿真程序设计

4.2 自校正矢量控制系统仿真与分析

4.2.1 自校正矢量控制系统转子电阻变化的仿真与分析

4.2.2 自校正矢量控制系统转速变化的仿真与分析

4.2.3 自校正矢量控制系统转矩变化的仿真与分析

4.3 转子电阻、转速、和负载转矩均变化的系统仿真与分析

4.4 仿真小结

5 基于双扩展卡尔曼滤波器的异步电机自校正矢量控制系统硬件电路设计

5.1 基于TMS320F2812 DSP控制电路设计

5.1.1 TMS320F2812 DSP最小系统设计

5.1.2 TMS320F2812 DSP外部存储器扩展和DA设计

5.1.3 DA、运算放大器、外设电源设计

5.2 异步电机三相电流采样电路设计

5.2.1 单相电流采样电路设计

5.2.2 三相电流均值采样电路设计

5.3 异步电机转速测量电路设计

5.4 自校正矢量控制系统主回路、驱动电路的选择设计

5.4.1 矢量控制主电路设计

5.4.2 驱动电路设计

6 异步电机自校正矢量控制系统软件设计

6.1 异步电机自校正矢量控制系统软件设计的关键问题

6.1.1 定点DSP的Q格式运算

6.1.2 电机状态标幺模型

6.1.3 调制度和频率给定的空间电压矢量调制(SVPWM)

6.1.4 相电压重构技术

6.1.5 PI调节器设计

6.2 基于双扩展卡尔曼滤波器的异步电机自校正矢量控制系统程序设计

6.2.1 自校正矢量控制系统主程序设计

6.2.2 T1中断服务程序设计

6.2.3 中断服务程序设计

7 实验结果及其分析

7.1 转子电阻在线辨识结果与分析

7.2 转子磁链观测结果与分析

7.3 电机稳态运行性能分析

7.4 转子电阻、转速变化时辨识结果与分析

8 全文总结和展望

致谢

参考文献

在校学习期间所发表的论文

在校学习期间获得奖励