（控制科学与工程专业论文）定子电阻变化对无速度传感器直接转矩控制系统的影响.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 无速度传感器控制直接转矩控制系统的核心是速度辨识。不管采 用何种速度辨识方法，定子电阻都是定子磁链观测和速度辨识的重要 参数。在电机运行过程中，定子电阻随工况环境变化而变化，这必然 导致磁链观测与速度辨识的精度下降。因此，消除定子电阻不确定性 对无速度传感器直接转矩控制系统的影响成为近年来研究的热点。 介绍了便于直接转矩控制系统研究的异步电机r 型等效电路数 学模型，建立了以定、转子磁链为变量的状态方程。定量分析定子电 阻变化对直接转矩控制系统三种基本定子磁链观测模型及电磁转矩 的影响，指出研究定子电阻变化对无速度传感器直接转矩控制系统影 响的必要性。针对定子电阻的不确定性，提出了基于白适应磁链观测 器的定子电阻辨识方案和定子电阻鲁棒观测器方案o 设计的以定、转子磁链为状态变量自适应磁链观测器，给出转速 和定子电阻的双辨识率。采用迭代l m i 方法，求得自适应观测器增益 矩阵，保证观测器稳定性。通过仿真研究对比得出：极点配置方法不 适用于以定、转子磁链为状态变量自适应磁链观测器，而以定、转子 磁链为状态变量的自适应磁链观测器定子电阻辨识方案可在一定程 度上提高转速的辨识精度。 在定子电阻鲁棒观测器方案中，设定定子电阻不确定项，使估计 误差收敛至有界区域内。运用l y a p u n o v 稳定性理论，推导出转速辨识 率及保证观测器稳定性的非线性不等式，运用鲁棒控制理论，将非线 形不等式转化为线性矩阵不等式，求出保证观测器稳定性的增益矩 阵。仿真研究表明，在一定程度上能消除定子电阻不确定性对速度辨 识的影响。此相对于定子电阻辨识方法而言，其计算量小且实时性容 易满足，更符合工程需求。 关键词：无速度传感器，直接转矩控制，自适应观测器，鲁棒观 测器，速度辨识，定子电阻不确定性 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s p e e di d e n t i f i c a t i o ni st h ec o r eo ft h es p e e ds e n s o r l e s sd i r e c tt o r q u e c o n t r o ls y s t e m r e g a r d l e s so ft h et y p eo fs p e e di d e n t i f i c a t i o nm e t h o d ，t h e s t a t o rr e s i s t a n c ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro ft h es t a t o rf l u xo b s e r v a t i o n a n ds p e e di d e n t i f i c a t i o n i nt h ep r o c e s so fo p e r a t i o n ，t h em o t o rs t a t o r r e s i s t a n c ew o u l dc h a n g eu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ef a c t o r ss u c ha st h e t e m p e r a t u r er i s e ，s k i n e f f e c ta n d f r e q u e n c ye f f e c t i t w i l l i n e v i t a b l y r e d u c et h ep r e c i s i o no ff l u xo b s e r v a t i o na n d s p e e d i d e n t i f i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h ei n f l u e n c eo ft h es t a t o rr e s i s t a n c eu n c e r t a i n t yt os p e e d s e n s o r l e s sd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mh a sb e c o m et h eh o t s p o tr e s e a r c h i nr e c e n ty e a r s a n a l y z e dfa s y n c h r o n o u sm o t o r se q u i v a l e n tc i r c u i tm a t h e m a t i c a l m o d e l ，e s t a b l i s h e dt h es t a t ee q u a t i o no fi n d u c t i o nm o t o rw i t ht h es t a t o r a n dt h er o t o rf l u xf o rs t a t ev a r i a b l e s ，a n dp r o v e dt h eo b s e r v a b i l i t y o nt h i s b a s i s ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es t a t o rr e s i s t a n c eu n c e r t a i n t yi n f l u e n c et ot h e t h r e eb a s i cs t a t o rf l u xe s t i m a t i o ns c h e m e sa n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eo f s p e e ds e n s o r l e s s d i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m ，p o i n t e do u tt h a tt h e n e c e s s i t ys t u d yo ft h ei m p a c to ft h es t a t o rr e s i s t a n c eu n c e r t a i n t ys p e e d s e n s o r l e s sd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h eu n c e r t a i n t yo f t h es t a t o rr e s i s t a n c e p r o p o s e das t a t o rr e s i s t a n c ei d e n t if i c a t i o ns c h e m e w h i c hb a s e do na d a p t i v ef l u xo b s e r v e ra n da n o t h e rs c h e m ew h i c hb a s e d o ns t a t o rr e s i s t a n c er o b u s to b s e r v e r i nt h es t a t o rr e s i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o ns c h e m et h a tb a s e do na d a p t i v e f l u xo b s e r v e r ,an e wl y a p u n o vf u n c t i o nw a sc o n s t r u c t e d ，t h e i d e n t i f i c a t i o nr a t eo fs p e e da n ds t a t o rr e s i s t a n c ew a sd e d u c e d o nt h e b a s i so fm e t h o d sw h i c ha n a l y s i sp o l e sa n dl m i ，u s i n gi t e r a t i v el m i m e t h o d ，t h e nt h ea d a p t i v eo b s e r v e rg a i nm a t r i xw a so b t a i n e d ，a n dt h e s t a b i l i t yo ft h eo b s e r v e rw a sg u a r a n t e e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s e a r c h ， b yc o n t r a s t ，t h em e t h o do fp o l e sc o n f i g u r a t i o na c c o r d i n gt od i f f e r e n t m o t o rp a r a m e t e r ，m a yl c a dt oi n s t a b i l i t y a l s ov e r i f i e dt h es t a t o r r e s i s t a n c ei d e n t if i c a t i o nm e t h o dt h a tb a s e do na d a p t i v ef l u xo b s e r v e rc a n i m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h es p e e di d e n t i f i c a t i o na ta c e r t a i ne x t e n t t h ed e s i g n e dm e t h o do ft h es t a t o rr e s i s t a n c er o b u s to b s e r v e ri nt h e i i 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t s t a t o rr e s i s t a n c eu n c e r t a i nc i r c u m s t a n c e sc o n v e r g e de s t i m a t e de r r o rt ot h e b o u n d e da r e a u s i n gl y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r y , t h i sp a p e rd e d u c e dt h e r o t o rs p e e di d e n t i f i c a t i o nm e t h o da n dt h en o n l i n e a ri n e q u a l i t i e sw h i c h e n s u r e dt h es t a b i l i t yo ft h eo b s e r v e r , u s i n gr o b u s tt h e o r y , t h en o n l i n e a r i n e q u a l i t i e st r a n s f o r m e di n t ol i n e a rm a t r i xi n e q u a l i t y , t h e nt h eo b s e r v e r g a i nm a t r i c e sw h i c he n s u r e dt h es t a b i l i t y o fo b s e r v e r t h r o u g ht h e s i m u l a t i o nr e s e a r c h ，c o m p a r e dt ot h es t a t o rr e s i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o n s c h e m e ，t h i ss c h e m e c a ne l i m i n a t eo ri n h i b i tt h es t a t o rr e s i s t a n c e u n c e r t a i n t yi n f l u e n c et os p e e di d e n t i f i c a t i o na tac e r t a i ne x t e n t b u t r e l a t i v et ot h es t a t o rr e s i s t a n c ea n ds p e e dd o u b l ei d e n t i f i c a t i o ns c h e m e t h es t a t o rr e s i s t a n c er o b u s to b s e r v e rs c h e m eh a st h es m a l l e ra m o u n to f c a l c u l a t i o na n dr e a l t i m ee a s i l ys a t i s f i e d ，w h i c hh a sm o r ea d v a n t a g eo n t h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t k e yw o i m s ：s p e e ds e n s o r l e s s ，d i r e c tt o r q u e c o n t r o l ，a d a p t i v e o b s e r v e r r o b u s to b s e r v e r ，s p e e di d e n t i f i c a t i o n ，s t a t o rr e s i s t a n c eo f u n c e r t a i n t y i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究 所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：写廷l日期：耳年j 月单日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定 送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布 学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手 段保存学位论文；同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 日期：耳年上月卑日 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀 了匕 1 1 引言 随着电力电子技术、计算机与自动化技术的迅猛发展以及电机控制理论的不 断完善，交流调速系统正逐步取代直流调速系统在电气传动领域占据主导地位。 特别是鼠笼式异步电动机有一些明显的优点，如制造成本低、重量轻、惯性小、 可靠性和运行效率高、免维护、无电刷和换向器，能在恶劣环境中安全运转，因 此得到了日益广泛的关注和应用。现代社会高速发展的生产力以及能源的日益紧 缺，对交流调速系统提出了更高的要求，即高性能低能耗。为了满足这种需求， 近些年来国内外科研机构纷纷投入了大量人力、物力和财力，针对不同的应用领 域，着手于交流调速技术的深入改进研究。 直接转矩控制技术，用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控 制交流电动机的转矩，采用了定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。他省 掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的p w m 信号发生 器，他的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明 确。该控制系统的转矩相应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有高静 动态性能的交流调速方法。目前，直接转矩控制技术凭借其优越的性能，已成功 地运用于干线交流传动电力机车、动车组如“中华之星“、“奥星”、“中原之星” 上。 无论是在矢量控制系统，还是在直接转矩控制系统中，转速的闭环控制是必 不可少的。长久以来速度信号的获取是通过速度传感器实现的，然而安装在电机 端部的速度传感器增加了系统的复杂度和成本，降低了系统的环境适应能力。无 速度传感器技术能省去速度传感器，可以很好解决上述问题，因此，无速度传感 器控制技术在直接转矩控制系统领域上得到迅速的发展，目前，无速度传感器直 接转矩控制技术已经成为研究的热点，其核心研究问题是对转子速度的辨识。 感应电机无速度传感器直接转矩控制速度辨识有很多方法，但绝大部分方案 在对转速辨识的过程中都要依赖电机模型，而且还需要用到很多电机参数，其中 包括定子电阻。随着感应电机运行工况的变化，定子电阻会由于受到温升和集肤 效应以及频率变化等因素的影响而发生变化，这势必会对无速度传感器直接转矩 控制系统的定子磁链观测、速度辨识，乃至整个系统的稳定性都会造成一定的影 响，因此关于消除或抑制定子电阻变化对无速度传感器直接转矩控制系统的影响 成为一个研究的热点【m 】。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 课题研究现状 1 2 1 直接转矩控制技术研究现状 1 9 8 5 年，德国的德彭布罗克教授首次提出直接转矩控制的理论，它直接在 定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，采用定子磁场定向，无需解耦电流， 而是直接控制电动机的磁链和转矩，着眼于转矩的快速响应，以获得高效的控制 性能。这种控制技术与矢量控制技术相比，对电机参数不敏感，不受转子参数的 影响，简单易行，在很大程度上克服了矢量控制技术的缺点，近年来得到了迅速 的发展。 直接转矩控制系统的磁链轨迹控制方案一般有三种：1 9 8 5 年德国鲁尔大学 的d e p e n b r o c k 教授提出的六边形磁链轨迹直接转矩控制方案、1 9 8 6 年日本的 t a k a h a s h i 和n o g u c h i 提出的近似圆形磁链轨迹直接转矩控制方案，还有后来有 关学者提出的十八边形磁链轨迹直接转矩控制方案。在直接转矩控制系统中，按 照不同的转速范围，划分工作区域，确定相应的调速方案是非常必要的。一般来 说在高速范围内，采用六边形磁链方案就可实现高性能的转矩控制；在低速范围， 由于定子电阻上的压降的影响是不能忽略的，磁链轨迹会因此而发生畸变，并且 低频时零电压矢量增多，严重影响低速性能，可采用近似圆形磁链方案；在弱磁 范围，需采用功率调节器控制磁链给定值的大小，实现转矩的动态调节。 直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但它 是建立在单一输出矢量、磁链和转矩滞环b a n g b a n g 控制的基础上的，不可避免 地造成低速开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大等缺点，限制了其在低 速区域的应用，目前学界对直接转矩控制方法的研究改进也主要是围绕这些方面 在做工作，主要可以归纳如下【l o 圳】： 1 低速范围内系统性能的改善 传统直接转矩控制中，定子磁链的计算一般采用“一f 模型。然而u f 模型采 用对反电动势直接开环积分的方法观测定子磁链，其精度受到纯积分器存在初始 值误差、直流偏移问题，特别是定子电阻变化等因素的影响。一般在高速范围， 定子电阻压降的影响可以忽略，但在低速范围，由于定子电阻压降的影响小能忽 略，定子电阻随温度变化，定子磁链发生比较严重的畸变，从而严重影响系统的 性能。因此，如何准确的检测定子电阻的变化一直是改善系统低速性能的首要问 题，目前已有不少关于在线辨识定子电阻的文献。另外，低速范围的转矩脉动、 死区效应和开关频率的问题也非常突出。当控制系统全数字化时，采样周期是固 定的，在一个采样周期内，转矩的增加量和减少量足小同的，于是产生低频的锯 齿波分量，它在低速时频率低，影响系统的低速性能。 2 磁链与转矩控制策略 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 在传统的直接转矩控制中，转矩和磁链的控制是通过两个滞环比较器的输出 以及定子磁链的区间位置利用查表的算法来获取合适的电压矢量，将其误差限定 在容差范围之内来实现的，具有结构简单、实现容易、动态性能高的特点。然而 这样的控制方式只关心误差方向而对误差大小不能进行精确的控制，并且电压源 型逆变器提供的电压空间矢量有限，因此不可避免地造成了转矩脉动在低速下尤 为明显。同样，滞环比较器的存在也导致逆变器的开关频率不固定，开关频率变 化会产生不可预测的电流谐波，并使得逆变器的开关能力得不到充分利用。为改 善直接转矩控制系统性能和固定逆变器的开关频率，国内外很多学者提出了很多 的改进方案：通过更加细致分析电压矢量对磁链和转矩的调节作用来优化电压空 间矢量选择是一个热点方向。磁链和转矩的偏差区分得越细，所选择得电压矢量 就越精确，控制性能就越能得到改善。国内有学者提出双滞环理论，即每个滞环 都有两个容差，磁链和转矩得偏差被细化，这样能改善直接转矩控制系统的动静 态特性。 3 智能控制技术在直接转矩控制系统中的应用 近几年来，许多学者将智能控制和直接转矩控制相结合，提出了许多基于模 糊控制、自适应模糊控制以及神经网络控制等控制策略的控制系统，使直接转矩 控制的性能有了进一步的提高。模糊控制善于处理存在小精确性和小确定性信息 的控制问题，适用于常规控制难以解决的非线性和时变系统。神经网络采用： 行 计算结构，利用它建立的观测器和辨识器具有较好的跟踪性能，且神经网络可以 通过学习异步电机的各种参数变化时的映射关系来确定内部反馈的权重系数，在 电机参数变化时也可以实现高性能的控制。目前关于智能控制在直接转矩控制中 的应用研究主要集中在电机的参数辨识以及开关状态选择的优化等方面。 4 无速度传感器技术在直接转矩控制系统中的应用 在现代交流传动系统中，为了达到高精度的速度闭环控制，速度传感器的安 装是必小可缺的。但是速度传感器的安装小仅增加了系统的成木，降低了系统的 稳定性和可靠性，而且在有些恶劣应用场合，传感器的安装和维护都非常小便因 此无速度传感器技术的研究成为当今各国学者研究的热门方向。无速度传感器技 术是利用检测到的电机电压、电流和电机的数学模型推测出电机转的技术，具有 小改造电机、省去昂贵的机械传感器、降低维护费用和小怕粉尘和高温高湿等恶 劣环境影响的优点。 1 2 2 直接转矩控制系统中无速度传感器技术的研究现状 在感应电机调速系统中，通常所用的速度传感器存在着价格昂贵、可靠性低、 在特定条件下安装困难等不利因素，就速度传感器在铁路轨道牵引机车上的应用 而言，虽铁路机车牵引用速度传感器针对恶劣工作环境下进行了特殊设计，但由 中南大学硕士学位论文第一章绪论 于速度传感器是与牵引电机成为一体，导致其工作温升超过1 0 0 。c ，并且由于路轨 的不平承受很强的机械应力。所以，速度传感器在机车运行时的故障率一直较高， 经常出现传动轴折断、二通道相位差超限、机车启动未行驶时有误脉冲、行驶时 有漏脉冲等故障。因此采用无速度传感器技术会克服此类的不足之处，采用无速 度传感器控制的主要优点【2 m 9 j ： 1 减小了牵引电机的体积。在轨道牵引上，通常的速度传感器的厚度4 0 m m 左右，去掉速度传感器后，同样尺寸的牵引电机转矩可以提高2 0 。所以没有速 度传感器的牵引电机体积可以进一步减小。 2 大大提高了传动控制单元( d c u ) 的系统可靠性。去掉速度传感器以后 可以避免因为速度传感器的故障导致的系统故障。 3 节约成本。不仅省掉了速度传感器的费用，同时省掉了许多连接电缆的 费用，这笔费用在动力分散的电动车组、地铁，轻轨车中尤为可观。在提高系统 可靠性的同时相应的减少了生命周期费用。 随着异步电机控制理论逐步完善和高性能数字信号处理器的飞速发展，为异 步电机无速度传感器控制的实现提供了很好的硬件和软件条件，可以在很短的采 样周期里完成复杂的状态观测、解耦和控制。 因此，自2 0 世纪8 0 年代后期以来，无速度传感器感应电机调速系统越来越 引起人们的关注。无速度传感器感应电机控制在理论方面需要解决的核心问题是 转子速度的估计问题。转速估计早期主要使用直接计算、参数辨识、状态估计、 间接测量等方法。从定子侧比较容易获取的物理量：如定子电压、定子电流中计 算出与速度有关的量，从而得到转子速度，并将其运用到速度反馈控制系统中。 在电机参数已确定的情况下，转速的辨识和无速度传感器的设计并不存在理论上 的困难，但要在实际中获得高性能，就必须解决转速辨识对电机参数的适应性问 题和对系统稳定性的影响。 随着数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o e e s s o r ，d s p ) 芯片技术的快速发展， 各种现代控制理论可以应用到高性能感应电机调速系统中，国内外众多学者在无 速度传感器方面进行了大量的研究工作，提出了多种速度辨识方法，主要有如下 几种f 3 0 4 7 】： 1 基于电机模型的直接计算法 直接计算的出发点是从电机电磁关系式及转速的定义中得到关于转差或转 速关系的量。这种直接从电机动态方程出发推导得到的转速公式直观性强，而且 理论上，速度的计算没有延时。但该方法计算过程中需要用到大量的电机参数， 当电机参数变化时，如果缺少参数辨识环节，计算精度将受到严重影响；此外由 于缺少任何误差校正环节，难以保证系统的抗干扰性能，甚至有可能出现不稳定 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的情况。 2 模型参考自适应法 模型参考自适应系统( m o d e lr e f e r e n e ea d p a t i v es y s t e m ，m r a s ) 是2 0 世 纪5 0 年代后期发展起来的，其主要思想是将不含未知参数的方程作为参考模型， 而将含有待估计参数的方程作为可调模型，利用两个模型的的输出量的误差构成 合适的自适应律来实时调节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模 型的目的。 在交流调速系统中为m r a s 设计自适应算法时，很重要的一点是考虑整个 系统的稳定性，并确保速度估算值能以令人满意的动态效应收敛到期望值，通常 有三种基本方法：以局部参数最优化理论为基础的设计方法；以l y a p u n o v 函数 为基础的设计方法；以p o p o v 超稳定与正性动态系统理论为基础的设计方法。 模型参考自适应方法是以参考模型准确为基础，参考模型与可调模型都与电 机参数有关，参数的准确程度直接影响到转速的辨识。而电机的电阻与电感随着 工况的不同在变化，所以如何同时对多个参数进行辩识，保证参数和系统状态同 时收敛到真值，是m r a s 方法面临的一个重要问题。此外，m r a s 中p o p o v 超 稳定准则仅保证状态与速度估算的稳定性与渐进收敛，并不能保证速度估算值与 实际值在动态过程中保持一致。所以，动态过程中m r a s 速度估算仍然是有差 估计。 3 自适应速度观测器法 从控制理论的观点出发，未知的电机状态量如定子磁链或转子磁链，都可以 用一个状态观测器获得，该方法也可以归入m r a s 一类，它将电机作为参考模 型，所采用的观测器作为可调模型，把转速作为参数来辨识使得观测器呈线性。 k u b o t a 提出利用l u e n b e r g e r 观测器作为参考模型构成转速自适应观测器，利用 l y a p u n o v 稳定性定理得到转速自适应律。g e n gy a n g 采用p o p o v 超稳定性定理推 导出转速自适应律。除了这种基本的l u e n b e r g e r 观测器外，还有一种扩展的 l u e n b e r g e r 观测器，适用于非线性时变确定性系统，在这种系统中，将转速看成 是状态变量，在观测磁链的同时观测了转速，该方法具有算法简单、便于调节的 优点。但现有的感应电机速度辨识自适应观测器的研究和设计中并没有完全解决 稳定性的问题，如何解决观测器全速范围内的稳定性问题是也成为研究的重点。 4 滑模观测器法 滑模观测器方法采用估计电流偏差来确定滑模控制机构，将滑模输出直接用 于电机模型的参数补偿和速度估计，在很宽的调速范围内拥有良好的动态性能， 对电机参数也有很好的鲁棒性。但是抖动是制约滑动观测器应用的主要问题。 在滑模变结构控制中控制量u ( x ) 强制系统在滑模面s ( x ) = 0 上滑动，从而使 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 系统镇定，这样能够使系统的暂态响应的稳定性与系统的阻尼无关，从而使系统 暂态响应平稳、快速消失。但是，系统进入稳态响应之后，即使系统的输入为阶 跃函数，控制作用的切换也不会停止，而且会产生切换的频率更高的抖动。由于 滑模变结构控制的机理决定了其输出必然存在抖动，然而也正是这种开关模式实 现了系统的鲁棒性。完全消除抖动也就消除了变结构控制的可贵的抗摄动、抗外 扰的强鲁棒性。因此，滑模观测器应用中出现的的抖动现象，正确的处理方法应 该是消弱或抑制。虽然目前有积分补偿等消弱抖动的方法，但如何在消弱抖动的 同时保证足够的参数鲁棒性和状态收敛的速度，仍是一个研究热点。另外滑模观 测器需要计算多个参数，计算过程复杂，也影响着观测器的应用，在如何简化滑 模观测器的方法上也得到越来越多的关注。 5 扩展卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波是由k a l m a n 在六十年代初提出的一种最小方差意义上的最优预 测估计方法，它突出的特点是可以有效地削弱随机干扰和测量噪声的影响。扩展 卡尔曼滤波算法则是线性卡尔漫滤波器在非线性系统中的推广应用。它提供了一 种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量的微分计算，而且可以通过对q 阵 和r 阵的选择来调节状态收敛的速度。在选择合适的卡尔曼增益矩阵的情况下， 扩展卡尔曼滤波法将会有极高的准确性和稳定性，g h e n n e b e r g e r 和y r k i m 分 别成功地将卡尔曼滤波器及扩展卡尔曼滤波器应用于速度辨识中，但是，由于卡 尔曼滤波算法的计算量很大，并且这种方法是建立在对误差和测量噪声的统计特 性已知的基础之上，需要从实践中摸索出合适的特性参数，因而缺乏对参数的鲁 棒性，因而离实际运用尚有一段距离。 6 神经网络控制法 随着智能控制理论的发展，基于人工神经网络的方法也被利用进行速度辨 识。神经网络最普遍的用法就是采用多层前馈的网络结构，但在该结构中没有反 馈信号，而作为对电动机转速的辨识方法，反馈信号在神经网络的训练过程中十 分必要，因此更多的是采用反向传播算法，即b p 算法来调整神经网络的权值。 神经网络的算法直接简单，不需要很复杂的数学推导。但是，基于人工神经网络 的方法在理论研究上还不太成熟，其硬件实现有一定难度，使得这一方法的应用 还需要较长的时间。 7 利用电动机非理想特性的方法【4 8 。5 5 j 这类方法主要可以分为两类：一是转子齿谐波法；二是高频信号注入法。 电动机运行时，定子表面和铁心上的齿槽在气隙磁场中产生齿谐波，在这一 谐波的作用下，定子电压、电流信号会产生相应的谐波，而这个谐波的频率和转 速是相关的，转子齿谐波的方法就是通过提取相关频率来推算出转速。这种方法 6 中南大学硕+ 学位论文第一章绪论 所利用的谐波是在基波激励下形成的，在低速下信号强度弱，易受噪声干扰，不 易进行频谱分析，实际应用起来有很多困难。 高频信号注入的方法则是利用向异步电动机定子侧注入高频电压或者电流 信号后，能够产生相应的高频效应，针对这种高频效应检测相关量，提取其中所 包含的电机转速信息，达到辨识转速的目的。高频是相对于电机运行的基频而言 的，频率的选择首先应保证该频率下电机能产生所期望的高频效应，其次其频谱 与其他高频谐波相比应容易分开。这种高频效应的产生要用到转子凸极，而对于 转子对称性良好的异步电动机而言，必须通过改造电动机或者利用磁饱和效应构 建转子凸极，这无疑给它的应用带来了很大限制。 总之，在无速度传感器技术中，速度辨识已有很多种辨识方法，但是在直接 转矩控制系统中最常用而且效果最好的方法则是自适应速度观测器的方法，改方 案的优点在于磁链观测和速度及参数的辩识是结合在一起的，具有较好的鲁棒性 能。 1 2 3 无速度传感器直接转矩控制系统中定子电阻研究现状 在无速度传感器直接转矩控制系统中，定子电阻对转子速度辨识的影响的研 究上已经取得一些成绩。由于定子电阻的不确定性，在无速度直接转矩控制系统 中，往往导致估计的定子磁链会带有幅值误差和相位误差，对于这种定子电阻不 确定因素系统的控制问题，其解决办法主要集中在以下两个方面【5 6 】： 1 定子电阻辨识研究方向：通过对定子电阻的在线辨识，使定子电阻的不 确定性逐步降低，并在辨识的基础上加以控制； 2 鲁棒控制器研究方向：对不确定性系统设计一个线性定常反馈增益调节 器，使在所有不确定参数变化范围内，系统性能指标满足设计要求。 在对定子电阻辨识方向上，国内外学者对此进行了大量卓有成效的工作。并 且将现代控制理论以及系统辨识理论等应用于参数辨识当中，提出了许多在线辨 识的算法【6 7 琊】。这些方案可以被总结归纳为几种不同类型。一般来说，所有的这 些方法都需要用到定子电流测量值以及定子电压值( 测量的或重构的) 。 第一类方法利用一些测量值以及适当的感应电机稳态模型精确的计算出定 子电阻。其中文献 6 7 基于反电动势观测器，用定子电流空间矢量在参考坐标系 下计算出定子电阻。文献 6 8 】由电流模型计算出转子磁链，然后通过电压模型计 算出定子电阻。 第二类定子电阻辨识值通过自适应机构得到。一般说来，该大类又分为基于 观测器的方法和模型参考自适应( m r a s ) 方法。在基于观测器的系统中，作为定 子电阻自适应辨识机构输入的误差量，是由定子电流的测量值和观测值之间的偏 差决定的。而在基于模型参考自适应( m r a s ) 的系统中，误差量的选择则更加多 7 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 样化。文献 6 9 i 作在两相静止坐标系中，误差量由电压模型和电流模型所得到 的转子磁链及定子电流量之间的差值决定。而在文献 7 0 1 采用定子电流以及电 压模型和电流模型所得到的转子磁链的偏差作为误差输入量。在另一文献 7 】中， 感应电机瞬时无功功率被用在转子电流模型中作为误差量。 第三类在线辨识定子电阻的方法是基于人工智能的方法。此时，定子电阻的 精确计算式被基于神经网络的逼近所替代。同样地，模糊逻辑方法也可以被视为 第二类的范畴，这里经典的自适应机构( p i 或i 控制器) 被模糊逻辑自适应机制 所替换。如人工神经网络，模糊控制以及模糊神经控制，均可有效的对定子电阻 进行辨识。 就目前国内外学者所做的研究工作来看，第二类方法应用最多。很多学者采 用磁链观测器模型，将转速和定子电阻视为时变的不确定参数，在l y a p u n o v 稳 定性理论的基础上，推导出了转速和定子电阻的在线辨识自适应律。然而在采用 的l y a p u n o v 方法上，均只用了一个增益矩阵g ，在理论上不能充分证明观测器 的稳定性，因而并不能完全保证速度辨识以及定子电阻辨识在全速范围运行的可 信性。这种l y a p u n o v 函数的选取有待于进一步的研究加以改进。 鲁棒控制理论可分为线性系统鲁棒控制理论和非线性鲁棒控制理论。前者理 论体系己较完善。而后者正在进一步发展之中。针对感应电机交流调速中，其变 量非线性祸合、转子和定子电量难以测量、电机参数时变性和外部干扰影响等问 题，鲁棒控制方法提供了一种很好的解决途径。如何将鲁棒控制方法应用于感应 电机直接转矩控制中，解决转子磁链观测的准确性、控制器设计的完善性等问题， 一直以来也是研究的重点【7 引。 尽管鲁棒控制理论在研究和应用领域取得了丰硕的成果，但其应用于电机运 动控制系统的研究还处于起步阶段，研究成果还不多见。国内可检索到的代表性 的文献主要出自清华大学自动化系【7 9 - 8 1 】和沈阳工业大学电气工程学院进行的巩 鲁棒运动控制研究。在考虑了系统相关参数摄动和负载变化不确定情况下，文献 【8 2 1 提出了利用直接反馈线性化构建电机的鲁棒控制模型，以进行模型的不确定 性和干扰分析，通过解比控制标准设计问题来求解同时具备参数摄动鲁棒镇定性 能和干扰抑制性能的最优控制器。文献 8 3 1 对比研究了在运动控制系统中基于扰 动观测器的控制与玩控制的性能，提出一种新的鲁棒运动控制方法，可有效抑 制干扰的影响。对于时域不确定系统，尤其是时变和非线性摄动不确定系统，基 于l y a p u n o v 稳定性理论的鲁棒镇定综合方法是一个十分有效和被广泛利用的研 究方法。 由于非线性鲁棒控制理论正处于发展完善的过程中，要将其较复杂的理论应 用到实际的感应电动机控制系统中需要一定的时间，故这方面的参考文献所见不 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 多。最近几年，基于耗散理论的鲁棒非线性控制方法获得较多的关注，这类方法 主要包括l 2 增益方法、无源化方法等。文献 8 4 】基于无源化方法设计了感应电 动机转矩和转速调节器，着重用实验的方法验证了基于无源化方法设计的感应电 动机控制系统在速度、位置和磁链跟踪方面的性能，并比较了这种控制器与基于 观铡器的自适应控制器的性能。 1 3 课题的研究意义与目的 无速度传感器控制直接转矩控制系统中，需要解决的核心问题是速度辨识问 题。不管采用何种速度辨识方法，定子电阻都是定子磁链观测和速度辨识的重要 参数。在过去的研究中大多把定子电阻当做常数来处理。然而在电机运行过程中， 定子电阻受到温升和集肤效应以及频率等因素的影响会发生变化，在重载条件 下，定子电阻变化量可以达到初始值的5 0 。有研究表明若定子电阻估计误差 1 5 引起的磁链观测误差将达到2 0 ，这样必然导致磁链观测与速度辨识的精度 下降，从而降低系统的性能，甚至会导致系统的不稳定。因此对无速度传感器直 接转矩控制系统中定子电阻的研究具有一定的价值。 基于自适应磁链观测器，在l y a p u n o v 稳定性理论的基础上，推导出定子电 阻以及转子速度的自适应辨识率，同时求解线性矩阵不等式获得观测增益矩阵 g ，来保证系统的稳定运行，这种定子电阻的在线辨识方法已经有很多的相关报 道。然而此类的文献在采用的l y a p u n o v 方法上均只有一个增益矩阵g ，不能从 理论上充分证明观测器的稳定性，也不能保证利用l m i 在全速度范围内有解， 从而降低系统在全速范围内的稳定运行的可信度。在定义l y a p u n o v 函数时若再 增加一个约束条件，就可以从理论上证明控制系统的稳定性，并可以通过双线性 矩阵不等式来保证辨识精度和系统在全速度范围的稳定运行。 与自适应控制相比，鲁棒控制器具有结构简单、鲁棒性能好的特点，而且由 于定子电阻的在线辨识势必会带来控制系统成本的增加，因此，随着鲁棒控制理 论的发展，在无速度传感器直接转矩控制系统中设计定子电阻鲁棒控制器，再运 用l y a p u n o v 方法推导出转子速度的自适应辨识率，并可以抑制定子电阻的不确 定性对速度辨识所带来的影响。这对无速度传感器直接转矩控制在电力牵引传动 控制方向上的应用有着重要的意义。 1 4 论文的主要内容和安排 第二章在分析异步电机1 1 型等效电路数学模型的基础上，在两相静止a ，p 坐 标下建立了以定、转子磁链为状态变量的感应电机状态方程，并分析了直接转矩 控制的基本原理，搭建了直接转矩控制控制系统的仿真平台，并对其进行仿真验 证。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第三章在给出影响定子电阻在变化的因素的基础上，着重分析了定子电阻的 变化对直接转矩控制系统中三种定子磁链观测的影响，同时也定量分析了磁链变 化对转矩控制性能的影响，指出消除或者抑制定子电阻不确定性对系统影响的必 要性。 第四章设计了一种基于自适应磁链观测器的无速度传感器异步电机直接转 矩控制系统，运用l y a p u n o v 稳定性理论，构造新型l y a p u n o v 函数，推导出了转 子速度和定子电阻的辨识率。求解自适应磁链观测器时，在分析极点配置方法和 l m i 方法的基础上，采用迭代l m i 方法，通过求解双线性矩阵不等式，得到自 适应观测器的常数增益矩阵，使得自适应磁链观测器的稳定性在全速度范围内得 到保证，并对此做出仿真研究。 第五章针对异步电机无速度传感器直接转矩控制系统中定子电阻的不确定 性，设计出定子电阻鲁棒观测器，可在系统参数定子电阻不确定的情况下，使估 计误差收敛至有界区域内。通过l y a p u n o v 稳定性理论，推导出转子速度辨识方 法及保证观测器稳定性的非线性不等式，通过l m i 工具箱中的非线性不等式求 解方法，将非线形不等式转化为线性矩阵不等式，求出保证观测器稳定性的增益 矩阵g 。并对此做出仿真研究。 第六章为工作总结和展望。 1 0 中南人学硕士学位论文第二章直接转矩控制系统的基本理论及仿真 第二章直接转矩控制系统的基本理论及仿真 感应电机作为直接转矩控制系统的控制对象，必须建立其准确的数学模型。 在很多文献中研究直接转矩控制系统，大多都是以异步电机的t 型等效电路数 学模型为基础，而直接转矩控制以定子磁场为定向，因此必会增加计算的复杂性。 本章在分析异步电机r 型等效电路数学模型的基础上，在两相静止a ，p 坐标下建 立了以定、转子磁链为状态变量的感应电机状态方程，并搭建直接转矩控制仿真 平台对此进行仿真验证。 2 1 异步电机的数学模型和状态方程 实现高动态性能，必须充分研究电机的物理机理和动态数学模型。三相交流 电动机是一个高阶、非线性、强祸合的多变量系统。为建立数学模型，常作如下 假设： 1 感应电机定子、转子三相绕组完全对称，即定子三相绕组的结构完全相 同，空间位置彼此相差1 2 0 0 电角度；转子的铁芯及绕组对极中心轴和极间轴完全 对称； 2 电机定、转子表面光滑，无齿槽效应； 3 电机气隙磁动势和磁感应强度在空间呈正弦分布； 4 电机的的导磁系数为常数，铁心的涡流饱和及磁滞损耗忽略不计。 2 1 1 异步电机t 型等效电路模型 由于电机的电压和电流都是在静止的坐标系中测量得到的，因而在静止的坐 标系中描述电机的模型将