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异步电动机无速度传感器矢量控制系统研究

刘旭  
【摘要】: 随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展,各类电气传动系统正在越来越多的被国内外学者开发与研究。异步电动机凭借自身特有的很多优点,在电气传动领域中占据着重要地位。而高性能的异步电动机交流传动系统中,转速的闭环控制是必不可少的。异步电动机有速度传感器矢量控制系统理论和实践都已经很成熟,但由于速度传感器的存在,相应带来了诸如成本偏高、信号易受干扰、安装不便等各方面的问题,这一定程度上限制了它的应用规模和应用场合。而异步电动机无速度传感器矢量控制系统,可以降低系统成本,提高系统的普及性及适应性,对于进一步扩大交流调速系统的应用范围具有重要的意义。 论文首先讨论了异步电动机的动态数学模型,分析研究了异步电动机按转子磁场定向的矢量控制方法及转子磁链开环的无速度传感器矢量控制方案。论文提出了利用转矩电流微分进行转速估算的同步转速估算方法,并在分析比较了现有的一些无速度传感器速度估算方法之后,决定采用该种估算方法作为无速度传感器矢量控制系统估算环节的核心算法。论文利用仿真软件对整个调速系统进行了仿真,仿真结果表明转速估算算法正确,转速精度高,采用该方法的调速系统具有良好的动、静态性能。 无速度传感器矢量控制系统的控制性能在很大程度上取决于电机参数的精度。论文采用了一种利用变频器自身的资源,通过对异步电动机施加电压激励,并采集电流响应的方式计算电机参数的异步电动机参数离线辨识方案。此方案由直流试验,单相试验、空载试验和动态实验构成,实现了对异步电动机的定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、互感和转动惯量的测试。而在利用辨识软件进行参数辨识的过程中,应用了最小二乘法、离散傅立叶算法等数学方法作为辅助。这些方法的应用,有效提高了参数辨识的精度。 在完成异步电动机参数辨识的基础上,运用非线性解耦线性化理论,引入非线性补偿来抵消耦合项的影响,将电流环分解为两个独立系统,实现了动态下的完全解耦。并设计了转速和电流PI调节器,实现了矢量控制系统的PI参数自整定。仿真结果验证了使用该方法设计调节器的调速系统具有良好的稳、动态性能。 建立了以英飞凌公司XC164CS芯片作为控制核心的全数字化控制的无速度传感器矢量控制实验系统。详细介绍了实验系统硬件构成和上、下位机软件流程。之后利用此实验系统,实现了参数辨识——PI参数自整定——无速度传感器矢量控制等一系列实验。 实验结果表明:离线参数辨识具有较高的精度,可以满足转速估算和PI参数自整定的要求;利用此辨识结果整定出来的PI参数可使系统获得良好的性能;利用转矩电流微分进行转速估算的方法准确高效,有很高的精度,利用此估算方法的无速度传感器矢量控制系统调速性能优异,具有良好的静、动态性能。


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