基于瞬时转矩理论的感应电机转矩控制及转速估计研究

作     者：陈鑫宇 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卢子广

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：感应电机 瞬时转矩 反馈线性化 转矩控制 模型参考自适应 转速估计 无功功率 

摘      要：近年来新能源汽车产业发展十分迅速,这对电机驱动系统提出了很高的要求。电机驱动控制技术作为电机驱动系统的重要组成部分,也得到了越来越多学者的重视。电机驱动控制技术的主要研究方向是提高转矩控制系统的动态和稳态运行性能,以及提高无速度传感器控制的动态和稳态性能。在各种类型的驱动电机中,感应电机因其结构简单、运行稳定和成本较低而得以广泛应用。首先,针对常规的磁场定向控制、直接转矩控制和瞬时功率控制所使用的电机模型不能完全描述电机动态过程的问题,本文以感应电机旋转磁场的动态过程为研究对象,从瞬时功率方程出发,推导得到瞬时无功/有功转矩的表达式,并利用瞬时转矩概念描述了感应电动态过程时输入端信号、旋转磁场和输出转矩之间的关系,从而可用瞬时无功/有功转矩直接描述电机的动态过程。其次,为了获得与磁场定向控制相近的稳态特性,以及与直接转矩控制相近的动态特性,基于瞬时转矩理论,本文选择旋转磁场的幅值和旋转角频率为输出变量,推导出了感应电机瞬时转矩状态空间方程,阐述了该方程的物理意义。进一步地,为了进行线性化控制,提出一种简化的反馈线性化控制设计结构,设计过程简单,避免产生零动态问题。同时,为进一步提高转矩响应速度,设置了瞬时转矩反馈。然后,在无速度传感器控制领域,基于无功功率模型参考自适应系统的转速估计算法是一种常规的转速估计算法,但是该算法存在稳态转速误差较大、转矩脉动较大和电流谐波较大的问题。针对这些问题,本文基于模型参考自适应系统理论,利用瞬时转矩建立了自适应模型,由定子磁链幅值和瞬时有功转矩构造出转差角频率计算模型,由此构造了了基于瞬时转矩模型参考自适应系统的转速估计算法。最后,在基于快速控制原型控制器的感应电机实验平台上进行了实验验证。实验结果表明,所用算法的转矩响应速度比磁场定向控制快30%,比直接转矩控制快10%,所用算法在稳态时的转矩脉动比磁场定向控制低65%,比直接转矩控制低84%。因此,所用基于瞬时转矩模型的感应电机转矩控制算法具有更好的动态和稳态性能。相比于常规基于无功功率模型参考自适应系统的转速估计算法,所用基于瞬时转矩模型参考自适应系统的转速估计算法的控制性能更好,动态时超调量降低了38.7%,稳态时转速误差降低了61.5%,转矩脉动降低了10%,定子电流谐波降低了38.2%。因此,所用算法能够有效降低稳态转速误差、转矩脉动和电流谐波。