基于间接矢量控制的异步电机转子时间常数在线辨识算法研究

发布时间：2020-03-19 04:33

【摘要】：间接矢量控制方案因具有结构简单、稳定性好等优点成为当前应用于异步电机驱动控制的主流方案。决定系统性能的转子磁场定向准确性取决于控制系统中转子时间常数的精度,而在电机运行过程中,电机转子时间常数会因磁路饱和、温度变化等因素发生明显变化。转子时间常数的不匹配将直接导致转子磁场定向出现偏差,致使系统的稳态和动态性能恶化。因此,如何准确的在线辨识转子时间常数成为当前学术界研究的焦点课题。基于模型参考自适应控制系统(model reference adaptive system,MRAS)的转子时间常数在线辨识方案因具有物理概念清晰、易于实现、稳定性好等优点而受到青睐。但是,就当前研究而言,在有速度传感器的情况下,为了进一步提升MRAS辨识算法性能,仍然存在如下问题有待研究解决:(1)尚未揭示基于不同物理量的MRAS辨识系统之间的内在关系,方案的优化选择缺少理论基础;(2)比例积分自适应律参数多为试凑选取,缺少优化设计,难以确保系统的稳定性和动态性能的优化;(3)现有辨识方案多为针对转子电阻的单一辨识方案,难以克服宽弱磁调速场合中励磁电感变化的问题;(4)铁耗和杂散损耗与转子时间常数辨识之间的耦合问题鲜有研究。本文针对上述问题开展研究并提出了系列解决方案,发展了MRAS及参数辨识理论。借助李雅普诺夫稳定理论和波波夫超稳定理论,提出了基于MRAS辨识算法的统一数学模型,揭示了不同辨识方案之间的内在统一性,并为辨识方案的优化选择提供了理论基础。同时,也据此证明了通过融合定子频率、q轴定子电流等信息对自适应律进行完善能够扩大辨识模型的有效工作区间。此外,根据统一数学模型所建立的辨识系统闭环传递函数不仅揭示了该类辨识系统具有高度非线性特征,而且为辨识系统斜坡响应的解析分析提供了基础。以无功功率、转矩和定子电流点乘转子磁链三个典型MRAS辨识算法为例,利用线性化理论建立了小信号模型,对参数辨识系统的稳定性问题进行了深入研究,为MRAS中比例积分自适应律参数的优化设计提供了理论依据。针对无功功率模型,本文在自适应律中引入定子频率信息的基础上,通过调节器参数的优化设计增强了系统收敛性。针对转矩模型,本文证明错误平衡点的存在导致辨识系统仅适用于电机重载工况,同时给出了保证系统稳定运行的调节器参数选取范围。针对定子电流点乘转子磁链模型,本文提出依据电机运行工况对磁链估计模型中的定子电阻值进行调整以保证系统的全局稳定性。本文提出一种转子时间常数和励磁电感的并行辨识方案,有效地克服了励磁电感偏差对转子时间常数辨识的影响。该方案的核心是在定子电流点乘转子磁链模型辨识转子时间常数的基础上,综合转子磁链幅值和相位误差信息实现励磁电感的在线辨识。为了获得参考转子磁链,本文提出了一种基于直流偏置双反馈补偿的改进电压模型磁链观测器。与现有方案相比,所提改进电压模型不仅可以完全消除估计磁链中的直流偏置问题,而且可以实现磁链的快速跟踪。针对铁耗和杂散损耗两个非理想因素,本文采用在并联铁耗模型中引入串联杂散损耗模型的建模方式,并据此提出了两种补偿方案,以解决铁耗和杂散损耗对转子时间常数辨识的影响问题。方案一是立足于矢量控制系统,在获知电机磁滞、涡流、杂散损耗系数的情况下直接对指令电流和转差频率进行修正。方案二是通过改进无功功率模型在线辨识包含铁耗和杂散损耗在内的等效转子时间常数,从而获得近似准确的磁场定向,并通过指令电流的修正实现期望转矩、磁链的输出。另外,通过方案二获得的等效转子时间常数可以对电机磁滞、涡流、杂散损耗等系数进行拟合,进而为相应修正过程提供必要信息并避免繁琐的离线测试过程。
【图文】：

拓扑结构图,中低压,拓扑结构,变频器

晰、易于实现、稳定性好等优点而受到青睐[11]。但是，就当前研算法仍然存在如下问题有待研究解决：(1) 基于不同物理量的择缺少理论基础；(2) 比例积分自适应律参数多为试凑选取，定性和动态性能的优化；(3) 现有辨识方案多为针对转子电阻难以克服宽弱磁调速场合中励磁电感变化的问题；(4) 铁耗和间常数辨识之间的耦合问题鲜有研究。所述，虽然异步电机控制是一个相对成熟的课题，但由于其在方面仍然没有出现广泛认可的方案。因此，有必要对转子时间术难点进行深入研究，以寻求优化辨识方案进而提高电机控制的国内外研究现状，中、低压变频器中应用较多的硬件拓扑结构是如图 1.1 所示逆变器[12]。在通用变频器中，，可通过电网电压整流来建立直流母（electric vehicle，EV）用电机控制器的直流侧电压则由车载电

框图,驱动系统,框图,定子电流

第一章绪论散化积分算法来实现转差频率计算中的积分环节[13]；如果矢量控制节器设计良好，可考虑使用定子电流指令值代替实际反馈值来计算可以避免在定子频率中引入不必要的干扰噪声，进而提高系统抗定向角度和定子电流的基础上，通过定子电流指令值和反馈值的误例积分（proportional-integral，PI）控制获取指令电压，然后通过空术获得驱动功率器件的开关信号。间接磁场定向角度的获取本质上电流模型磁链观测器。如果可以通过其他磁链观测器得到估计转子度也可以由转子磁链轴分量反正切运算查表或者通过锁相环求直接磁场定向控制（direct field orientation control，DFOC）的基本磁场定向控制相比，间接矢量控制策略因其可靠性高、稳定性好等机驱动场合中受到更多青睐[2], [10]。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM343

【参考文献】