无速度传感器矢量控制系统的若干问题研究

【摘要】： 近年来,电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的快速发展,对异步电机控制系统的全数字化控制、无速度传感器以及先进的控制策略等技术的发展产生了巨大的推动作用。本文从工程实际应用角度出发,以异步电机无速度传感器矢量控制系统为主要研究对象,针对转子磁链观测、转速辨识、系统稳定性等几个关键技术进行了深入的理论分析和仿真研究,进行了基于DSP的异步电机无速度传感器矢量控制系统的硬件电路和控制软件的设计,仿真和实验验证了理论分析的正确性。 本文利用电机学的基本原理,对依据等效电机原则和非等效电机原则的矢量坐标变换内在的物理意义进行了深入研究,建立了异步电机的数学模型和状态空间表达式。为了对异步电机的磁场定向矢量控制和无速度传感器的自适应设计提供充分的理论依据,基于现代控制理论证明了异步电机的状态空间模型是可控可观性的。 本文详细阐述了不同的磁场定向方式下异步电机磁链和转矩的解耦特性,指出在转子磁场定向方式下磁链和转矩实现了彻底的解耦控制,并建立了异步电机按转子磁场定向矢量控制的系统结构。磁链观测是无速度传感器系统的核心技术,对于电压模型转子磁链观测器,纯积分环节很容易导致输出信号饱和与偏移,本文在详细分析了电压模型转子磁链观测器观测误差产生的原因的基础上,对几种典型的积分改进方案进行了理论分析、仿真比较和实验。指出它们仅对积分初始值进行了改进,未能有效解决输入直流偏置问题。基于此,本文提出在对纯积分环节进行改进的同时消除定子电流采样信号中的直流偏置量,从而解决输入直流偏置问题的方案。实验结果表明采用该方案观测到的转子磁链波形正弦性良好,无直流分量,有效消除了纯积分环节对电压模型转子磁链观测器的影响。 本文运用Popov超稳定性理论建立了基于模型参考自适应(MRAS)的无速度传感器系统,通过小信号稳定性分析证明了转速辨识子系统的动态稳定性。基于无源性理论,将异步电机分为电磁子系统和机械子系统,应用Lyapunov稳定性理论证明了异步电机电磁子系统在定参数时的一致稳定性,并推导出参数时变时异步电机全局渐进稳定的充分条件,为应用高性能电机控制策略提供了稳定性依据。在分别对电机和转速辨识子系统进行稳定性分析的基础上,从工程应用角度出发,提出了通过建立异步电机无速度传感器矢量闭环控制系统的小信号数学模型,利用MATLAB仿真得到根轨迹和阶跃响应图,进而判断闭环控制系统的稳定范围,以及电机时变参数和控制调节器参数的变化对系统稳定性的影响这一方法。实验结果表明,该方法还能够有效指导实验过程中控制调节器参数的整定。 最后本文建立了基于DSP全数字化控制的异步电机无速度传感器矢量控制系统。为了提高计算精度,基于电机的标幺值数学模型进行了控制系统的软件设计。针对定点DSP,提出了一种带符号位的定标方法,确保了计算的准确性。在分析电压空间矢量中死区效应产生机理的基础上,提出瞬时电压平均值的补偿方法,根据定子电流矢量所在的扇区计算每一个开关周期的误差电压平均值,实现对定子电压矢量的瞬时补偿。为了克服低速时定子电压检测精度下降的问题,本文利用直流母线电压和逆变器的开关状态重构定子电压,由于省去了电压滤波环节,还避免了滤波器引起的延时效应。实验结果表明,本文所设计的无速度传感器矢量控制系统具有良好的静、动态性能。