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异步电机无速度传感器直接转矩控制系统的研究与实践

李磊  
【摘要】: 本文在直接转矩控制系统的无速度传感器的设计、定子磁链的观测、低速性能的 提高以及系统高性能数字控制的实现等方面进行了广泛而深入的仿真和实验研究。 在深入研究传统直接转矩控制系统定子磁链观测方法的局限性的基础上,提出了 两种实现定子磁链准确观测的新型解决方案。第一种方案是利用全阶磁链观测器实现 对定子磁链的观测。仿真和实践表明此方案对定子磁链的观测效果明显优于传统的观 测方法,并对电机参数的变化具有良好的鲁棒性。第二种方案是采用具有幅值补偿环 节的改进积分器。该方案不但具有积分器的优点,而且有效地克服了积分器所具有的 误差积累和直流偏移问题,且对定子电阻的鲁棒性良好。 在磁链观测器的基础上,设计出两种新型的自适应速度观测器和一种基于磁链 观测器的速度估计器。首先依据李雅普诺夫理论推导出了转速和定转子电阻的自适应 收敛率,构造出速度自适应磁链观测器。该观测器在观测定子磁链的同时,能够观测 电机的转速以及定子和转子电阻。之后又依据模型参考自适应理论设计出第二种自适 应速度观测器,利用波波夫理论完成了稳定性的证明,并对上述两种自适应速度观测 方案进行了仿真和实验对比。最后,将一种简单实用的速度估计器与磁链观测器结合 在一起应用于直接转矩控制系统中,并进行了实验研究。实践表明,采用上还三种方 法有效地提高了速度的观测精度,增强了系统的鲁棒性,拓展了直接转矩控制系统的 调速范围。 提出了一种新型的死区电压补偿方法。该方法简单实用,仅需要对控制软件稍加 修改,不需要附加任何硬件,即可有效地补偿死区效应的影响。该方法特别适合在直 接转矩控制系统以及其他采用空间矢量调制技术的场合应用。 分析了影响传统直接转矩控制系统低速性能的主要原因,深入研究了不同电压矢 量对转矩变化所产生的影响,在此基础上提出了一种新型的磁链和转矩的双层滞环控 制方案。该方案简单、易于实现。仿真和实验均表明采用该方法在没有降低系统动态 性能情况下,提高了电机的低速转矩,并使转矩脉动与电磁噪声得到了很好的抑制。 在本系统中采用了一种简单有效的定子磁链弱磁方法,该方法在实际应用中达到 了预期的效果。此外,本文还提出了一种简单实用的软启动方法,采用该方法能有效 抑制系统在启动过程中对主电路所带来的冲击作用。 最后,笔者在控制系统的数字化实现以及实时软件的编制方面,进行了大量的理 论与实践研究。采用C语言/汇编语言混合编程的方法,成功地完成了DSP实时控制 软件的研制工作,实现了对电机高性能控制。


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