基于电压电流组合模型磁链观测器的感应电机无速度传感器控制关键技术研究

摘要

感应电机变频调速技术在我国工业生产电力拖动系统中占有重要地位。然而同国外企业相比，国内变频器企业在高端市场应用领域占有率很低，核心技术发展相对落后，因此高性能变颏调速系统研究对我国变频技术行业的发展具有重大意义。此外，虽然感应电机变频控制理论已经发展的比较成熟，但是其在传统应用领域仍然存在一些技术难点没有彻底解决;随着电力电子技术不断进步及先进数字控制芯片的使用，有必要进一步研究合适的控制算法，发掘其技术难点的最终解决方案。再者，变频调速系统在新的应用场合——例如电动汽车应用领域——也遇到一些挑战，及时发现并解决新的应用难点对变频调速系统的未来发展十分有意义。本文以实现高性能无速度传感器感应电机矢量控制为主要目标，深入研究了基于电压电流组合模型观测器的变频系统控制性能和算法，并在此基础上尝试解决现代感应电机控制的几个关键点，主要包括:
　　首先，作为高性能变频控制系统的基础环节，感应电机离线参数辨识成为本文的首要研究对象。由于现有离线参数辨识方案针对不同电机参数采用的硬件及程序配置并不统一，本文在调研一系列离线参数辨识方法的基础上，以工业实用性为主要目标，整合优化了一套感应电机离线参数辨识方法。此外，大部分应用场合很难保证传统堵转和空载旋转的离线辨识条件，而在保持转子静止实现参数辨识的现有方案中，逆变器非线性误差又对辨识精度产生很大影响，因此本文提出一种基于直流偏置激励的离线参数辨识方案——从而避免了逆变器非线性误差对辨识结果造成的影响，最终实现了电机参数的准确辨识并得到实验验证。
　　其次，本文研究了感应电机励磁曲线辨识方法。为了保证系统稳态精度，励磁曲线辨识及更新技术在变磁链控制中占有重要地位，而变磁链控制正是高性能变频驱动器最优效率算法的核心。传统励磁曲线辨识方法通常基于特定假设函数的曲线拟合方案，其缺点是最终辨识结果因假设函数不同而各异。本文提出一种基于斜坡电压激励直接计算获取励磁曲线的辨识方案——从而避免了曲线拟合算法对特定假设函数的依赖性。本文提出的方案实施简单方便，其辨识原理的正确性得到了仿真验证，且在最优效率实验中同传统曲线拟合方案作了详细对比。实验结果显示本文提出的方案具有良好的实用性能。
　　再次，本文研究了电压电流组合模型发电状态稳定性能的改进。相较于其它观测器，电压电流组合模型具有结构简单和参数敏感性小等诸多优点，但是其在发电状态下存在不稳定工作区域，目前尚无有效解决方案。实际上，电梯等提升类负载应用场合通常需要变频器工作在发电状态，且对系统可靠性要求很高，因此发电状态不稳定性改进是高性能变频系统不能忽略的研究重点。本文通过构建电压电流组合模型观测器的小信号模型，说明了该观测器传统参数配置在低速发电（再生制动）工作状态下存在的不稳定问题，并详细计算出了不稳定区域。进一步地，本文提出一种交叉耦合反馈机制，改善了系统的稳定性能，实现其全工作范围稳定运行。仿真和实验证明了该方案的正确性和有效性。
　　最后，本文提出一种新颖的转子时间常数在线辨识方案。转子时间常数由于温升效应会产生大幅度变化，从而导致较大的速度估算误差，因此有效的转子时间常数在线辨识是满足高性能变频器稳态精度的重要手段。转子时间常数在线辨识的难点在于如何准确获取用于辨识计算的交流信号。现有的辨识方案中，用于最终辨识的交流信号并不能直接得到，而需要通过直流、交流信号的精确分离和滤波，并进一步计算得到;而在本文提出的方案中，相关交流信号可以直接从观测器中提取而无需任何信号分离及滤波运算，因此该方案在简化辨识过程的同时，大大增加了辨识精度。此外，现有方案辨识精度同时依赖于交流信号幅值和相位的准确度——从而引入较大估算误差;本文提出的方案只需要交流信号幅值而无需其相位信息，因此辨识过程对交流信号的依赖度从两维（幅值，相位）降至一维（幅值）。相关仿真和实际实验有效验证了该方案的正确性和实用性。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

术语表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．1．1 交流变频调速系统的研究背景和意义

1．1．2 交流变频调速系统的市场发展概况

1．2 感应电机交频调速控制技术发展概况

1．2．1 变频调速系统技术发展概况

1．2．2 变频调速系统基本硬件结构

1．3 感应电机无速度传感器矢量控制关键技术综述

1．3．1 参数辨识技术概述

1．3．2 磁场定向技术概述

1．3．3 磁链观测技术概述

1．3．4 速度估算技术概述

1．4 高性能无速度传感器交频驱动控制发展现状

1．4．1 最优效率控制技术

1．4．2 低速发电不稳定性改进技术

1．4．3 高速弱磁最大转矩输出技术

1．4．4 高速高功率电机电流控制技术

1．5 本文的主要研究内容

参考文献

第二章 感应电机离线参数辨识方法研究

2．1 感应电机离线参数辨识方案综述

2．1．1 特定参数辨识方案

2．1．2 全电路参数辨识方案

2．2 感应电机离线参数辨识方案整合及优化

2．2．1 基于α-β坐标系下的电流闭环控制“自整定”方案

2．2．2 基于带直流偏置正弦激励的离线参数辨识

2．2．3 离线参数辨识流程整合及优化

2．4 本章小结

参考文献

第三章 感应电机励磁曲线辨识方法研究

3．1 感应电机励磁曲线辨识方案综述

3．1．1 励磁曲线辨识对变频驱动控制性能的影响

3．1．2 励磁曲线辨识方案综述

3．2 一种无需假设解析函数曲线拟合的励磁曲线辨识方案

3．2．1 励磁曲线辨识基本原理

3．2．2 励磁磁链和励磁电流估算策略

3．3 仿真及实验验证结果

3．3．1 励磁曲线辨识仿真及实验结果

3．3．2 与传统曲线拟合方法的比较

3．4 本章小结

参考文献

第四章 电压电流组合模型发电不稳定性能改进

4．1 感应电机发电不稳定性概述

4．2 电压电流组合模型磁链观测器

4．2．1 电压电流组合模型磁链观测器小信号分析建模

4．2．2 电压电流组合模型磁链观测器发电状态稳定性分析

4．3 电压电流组合模型发电不稳定性能改进

4．3．1 基于最大转差(转矩)补偿的稳定性能改进

4．3．2 基于估算转速(转差)补偿的稳定性能改进

4．4 实验结果

4．4．1 基于最大转差(转矩)补偿的实验结果

4．4．2 基于估算转速(转差)补偿的实验结果

4．5 本章小结

参考文献

第五章 基于电压电流组合模型的转子时间常数在线辨识

5．1 无速度传感器转子时间常数在线辨识发展概述

5．2 基于电压电流组合模型的系统分析

5．2．1 电压电流组合模型观测器输入输出关系

5．2．2 转子时间常数在线辨识交流信号分析

5．3 转子时间常数在线辨识程序设计

5．3．1 转子时间常数在线辨识迭代公式推导

5．3．2 转子时间常数在线辨识步骤及稳定性证明

5．3．3 定子电阻误差影响分析

5．4 仿真和实验结果

5．4．1 仿真原理验证及对比分析

5．4．2 实验结果

5．5 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 本文主要研究成果及创新点

6．2 未来工作展望

附录A 感应电机矢量控制基本理论及数学模型

附录B 实验控制框图、基本电机参数及实验装置平台

附录C 攻读博士学位期间成果清单