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物联网-智慧传输-基于滑模变结构异步电动机无速度传感器矢量控制系统的研究.pdf
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物联网-智慧传输-基于滑模变结构异步电动机无速度传感器矢量控制系统的研究.pdf
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摘要
I
基于滑模变结构异步电动机无速度传感器矢量控制系统的研究
摘要
三相异步电动机无速度传感器矢量控制系统是目前交流传动控制理论和应用研究
的热点问题。本论文主要研究内容有:(1)改进 SVPWM 算法控制三电平 NPC 逆变器
中点电压平衡;(2)三相异步电动机基于转子磁场定向矢量控制的数学公式推导和建模;
(3)对转速估计的几种方法进行分析比较,重点对模型参考自适应(MRAS)法和滑
模观测器法进行探讨。
本文首先对三电平 NPC 逆变器工作原理进行介绍,着重对 SVPWM 算法产生中点
电压偏移进行分析,在此基础上,采用虚拟型 SVPWM 算法,从而在根源上解决中点电
压偏移问题,为三相异步电动机提供优质三相电源。
其次,本文以异步电机转子磁链定向矢量控制数学模型为基础,通过对磁链调节器
建模、转矩调节器建模和转速调节器建模,从而搭建起整个异步电机矢量控制系统模型。
为了摆脱速度传感器束缚,在已建立异步电机矢量控制系统的基础上,通过采样定子电
压和电流数据,估算出转子转速。论文介绍了两种简单转速计算法的数学模型,即转差
率计算法和状态方程的直接综合法的数学模型,其纯积分饱和对参数依赖的问题,会严
重影响系统稳定。针对这个问题,本文重点介绍了模型参考自适应法,然后采用 Popov
超稳定性理论证明模型参考自适应算法的可行性,详细推导了自适应算法转速辨识的传
递函数,再根据该传递函数设计自适算法 PI 调节器。最后,针对电机运行时参数变化
引起系统不稳定等干扰问题,本论文采用滑模观测器代替自适应算法 PI 控制器。
最后,在
Matlab/Simulink
软件平台上,实现了异步电机无速度传感器矢量控制系统
的仿真,仿真结果表明:针对电机参数变化引起模型不准确问题和其他干扰等问题,通
过模型参考自适应法和滑模观测器法仿真结果对比,滑模观测器法能够获得更好的转速
跟踪效果,该观测器具有很强的稳定性和抗干扰性。
关键词:三电平 NPC 逆变器;矢量控制;模型参考自适应;滑模观测器
万方数据
Abstract
II
Research on Vector-controlled Induction Motors Based
on the Sliding Mode Variable Structure Control
ABSTRACT
The vector control system of three phase asynchronous motors without Using Speed
Sensor is a hot issue in AC drive control theory and application research. The main research
contents of this paper are: (1) improved SVPWM algorithm to control the neutral point
voltage balance of the three level NPC inverter; (2) Mathematical formula derivation and
modeling based on rotor field oriented vector control of three phase induction motor;(3)
Several methods of speed estimation were analyzed and compared. The model reference
adaptive (MRAS) method and the sliding mode observer method were discussed.
Firstly, this paper introduced the working principle of three level NPC inverter, mainly
talked about the neutral point voltage offset of the SVPWM, and on the basis of this, the
virtual SVPWM algorithm was adopted. The problem of the middle point voltage deviation
was solved from the root. So it was helpful to supply higher quality three-phase power for
three phase induction motor.
Secondly, the paper was based on the mathematical model of rotor flux oriented vector
induction motor control. By modeling the flux regulator, torque regulator and speed regulator,
there built up the whole asynchronous motor vector control system model. In order to get rid
of the speed sensor, rotor speed was estimated by sampling stator voltage and current data
which was based on the vector control system of induction motor. Two mathematical model of
simple speed calculation method was introduced in this paper, there were slip calculation
method and the direct synthesis method for the equation of state. The problem of the
parameter dependence on the pure integral saturation would seriously affect the stability of
the system. To solve this problem, this paper focused on the model reference adaptive method,
and then used the Popov super stability theory to prove the feasibility of the model reference
adaptive algorithm. The transfer function of the adaptive algorithm was derived in detail. The
adaptive algorithm PI regulator was designed based on the transfer function. Finally,
according to the motor parameter variation that was caused by the instability of the system
such as interference problem, this paper adopted sliding mode observer instead of adaptive
algorithm PI controller.
Finally, On Matlab/Simulink the software platform, the simulation of speed sensorless
vector control system of induction motor was realized. The simulation results show that:
aiming at the problem of inaccurate model and other disturbances which was caused by the
changing motor parameters, comparison of simulation results by model reference adaptive
method and sliding mode observer method, the method of mode observer can obtain a better
speed tracking effect with strong stability and anti-disturbance.
key words: three level NPC inverter; vector control; model reference adaptive; Sliding
mode observe
万方数据
目录
III
目录
第一章 绪论 ............................................................................................................................ 1
1.1 课题背景及研究意义 ................................................................................................... 1
1.2 异步电动机调速技术的发展 ....................................................................................... 2
1.3 异步电机无速度传感器技术的方法以及研究现状 ................................................... 5
1.4 多电平逆变器发展 ....................................................................................................... 6
1.5 论文的主要研究内容 ................................................................................................... 7
第二章 三电平 NPC 逆变器中点电压平衡 .......................................................................... 9
2.1 三电平 NPC 逆变器简介 ............................................................................................. 9
2.1.1 三电平 NPC 逆变器的拓扑结构及原理 ........................................................ 9
2.1.2 三电平 NPC 逆变器空间矢量分布 .............................................................. 10
2.1.3 三电平 NPC 逆变器中点电压偏移 .............................................................. 11
2.2 传统空间 SVPWM 调制 ............................................................................................ 15
2.3 虚拟型 SVPWM 控制 ................................................................................................ 17
2.3.1 虚拟型 SVPWM 的空间矢量 ....................................................................... 17
2.3.2 虚拟型 SVPWM 的小扇区划分 ................................................................... 19
第三章 异步电动机数学模型及系统设计 .......................................................................... 22
3.1 矢量控制原理 ........................................................................................................... 22
3.2 电动机数学模型 ....................................................................................................... 24
3.2.1 三相静止模型 .............................................................................................. 24
3.2.2 两相静止模型 .............................................................................................. 26
3.2.3 两相旋转模型 .............................................................................................. 27
3.3 转子磁链定向模型 ................................................................................................... 28
3.4 系统模型设计 ........................................................................................................... 30
3.4.1 磁链调节器设计 .......................................................................................... 31
3.4.2 转矩调节器设计 .......................................................................................... 33
3.4.3 转速调节设计 .............................................................................................. 34
第四章 异步电动机矢量控制系统无速度传感器研究 ...................................................... 36
4.1 常规转速计算法 ....................................................................................................... 36
4.1.1 转差率计算法 .............................................................................................. 36
4.1.2 状态方程的直接综合法 .............................................................................. 36
4.2 模型参考自适应法 ................................................................................................... 38
万方数据
目录
IV
4.2.1 模型参考自适应理论 .................................................................................. 38
4.2.2 模型参考自适应系统的设计 ...................................................................... 39
4.2.3 模型参考自适应算法的证明 ...................................................................... 40
4.2.4 模型参考自适应算法 PI 参数设计 ............................................................ 42
4.3 滑模变结构控制理论 ............................................................................................... 44
4.3.1 滑模变结构控制基本原理 .......................................................................... 45
4.3.2 滑模变结构模型参考自适应法设计 .......................................................... 46
4.3.3 滑模变结构磁链环设计 .............................................................................. 47
4.3.4 滑模变结构的抖振问题 .............................................................................. 48
第五章 基于 MATLAB/SIMULINK 仿真平台系统实现 ................................................... 50
5.1 基于 MRAS 无速度传感器矢量控制系统建模 ...................................................... 50
5.1.1 坐标变换 ...................................................................................................... 51
5.1.2 磁链、转矩补偿模块 .................................................................................. 51
5.1.3 模型参考自适应 MRAS 建模 ..................................................................... 52
5.2 滑模变结构建模 ....................................................................................................... 53
5.2.1 滑模变结构模型参考自适应法建模 .......................................................... 53
5.2.2 滑模变结构磁链环建模 .............................................................................. 53
5.3 滑模观测器与自适应算法 PI 控制器仿真结果比较 ............................................. 54
第六章 结论与展望 .............................................................................................................. 60
参考文献 .................................................................................................................................. 61
个人简历 在读期间发表的学术论文 .................................................................................. 64
致谢 .......................................................................................................................................... 65
万方数据
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
机车交流传动技术于 20 世纪 70 年代末期研发,从此它的巨大技术优势就凸现出
来了,加上微机控制技术应用和大功率电力电子器件的快速发展,机车交流传动技术已
经成熟、经济、安全可靠
[1]
。和直流传动机车相对比,交流传动机车主要有以下几点优
势:(1)牵引性能好,电网功率因数高;(2)没有换向器和电刷,所以工作可靠,对维
护和保养要求低;(3)同功率下体积小重量轻;(4)响应速度快,动态性能好;(5)牵
引系统功率大,适应于高速大力矩工作状态。至今,多种型号的三相交流电传动内燃机
车、内燃动车组、电力机车和高速动车组等已经在多国的铁路、城市轻轨、地铁上运行
[2]
。我国于 1980 年就开始进行交流传动牵引系统的研究,从 1989 年 9 月,中国国内首
台 300 千瓦交-直-交电传动系统地面实验装置在株洲电力机车研究所研制成功,到 1996
年,我国第一台交-直-交流电传动的国产电力机车研制成功,AC4000 型电力机车的诞
生是我国交流传动电力机车的里程碑
[3,4]
。迄今,我国已研制成功了 DJ1 和 DJ2 型等大
功率交流传动电力机车以及交流传动内燃机车
[5]
。
铁道部为了加快牵引传动系统的现代化,实现铁路跨越式发展要求,走技贸接合的
路子,引进海外的先进技术,在国内制造出一些交流传动电力机车和高速动车组
[6]
。跨
越式发展我国铁路机车技术,以满足我国铁路发展急切的需求
[7]
。在 2004 年,根据国务
院提出的总体发展要求
[8]
。铁道部从实际情况出发制订出了总体方针:要充分运用我国
市场需求潜力大的优势,通过以市场换技术,走技贸结合、自主创新的道路,重点扶持
一些国内相关企业的技术改造,以促进我国铁路装备工业的跨越式发展,提高拥有自主
知识产权技术的开发能力和核心技术的吸收消化能力,从而从整体上促进我国机车车辆
装备水平提高。2004 年至 2007 年间,铁道部先后引进加拿大庞巴迪、法国阿尔斯通、
日本川崎重工和德国西门子动车组技术
[9,10]
。我国高铁动车也有了飞跃式发展,从 2000
年,我国第一列动力集中动车组蓝箭号出厂,到 2006 年中华之星谢幕,从此走上与外
企联合设计生产的道路,相继出产 CRH1、CRH2、CRH5 和 CRH3 等动车组
[11]
。在 2015
年,具有完全自主知识产权的时速 350 公里的中国标准动车组在长客轨道客车股份有限
公司和青岛四方股份有限公司同时下线,标准动车组研制成功具有重大意义,为中国高
铁走出国门提供有力的支撑。
本论文以机车交流传动为背景,在三相异步电动机控制中,首先就要考虑牵引逆变
器主电拓扑结构,在采用两电平电压型逆变器控制时,逆变器的输出端直接与三相异步
电动机定子各绕组相连接。因为逆变器的开关器件的耐压能力有限;再加上在高频时会
产生很大的浪涌电压和开关损耗,因此逆变器无法应用在高压大功率场合。为了满足负
万方数据
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