自抗扰控制在直接转矩控制系统中的应用研究

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1、华中科技大学博士学位论文摘要三相感应电动机的直接转矩控制技术目前有两种典型的控制策略：基于开关向量表的直接转矩控制（简称ST-DTC）和基于空间矢量调制的直接转矩控制（简称DTC-SVM）。ST-DTC以结构简单、动态响应快、鲁棒性强等优点受到国内外学者的广泛关注，但是也存在很多不足，例如转矩脉动大、低速性能差等等。DTC-SVM虽然可以解决ST-DTC的这些问题，但需要精确解耦，并且对时变扰动及系统未建模动态鲁棒性较差。在阅读大量国内外相关文献的基础上，借鉴自抗扰控制（简称ADRC）的思想，本文提出基于自抗扰控制

2、的新型转矩控制方案，针对三相感应电动机这个非线性、强耦合控制对象，利用ADRC对不确定对象的适应性和对系统未建模动态及参数摄动的鲁棒性，从控制策略、参数优化、磁链观测、定子电阻扰动估计以及全数字化控制等方面展开研究，以期解决目前直接转矩控制系统中的有关关键问题。自抗扰控制近年来发展成两种形式。本文结合传动系统的特点，深入探讨了这两种形式ADRC的特性及稳定性，并采用实数位移定理和劳斯判据推导出二阶ADRC稳定的必要条件。控制系统的性能与控制策略的设计密切相关。本文在基于ADRC的DTC-SVM系统控制策略研究基础上

3、，根据自抗扰控制思想，引入不连续投影算子进行修正，解决了标准扩张状态观测器（简称ESO）对时变外扰无法保证观测误差有界的问题，然后设计了速度环和磁链环控制器，并通过Lyapunov稳定性理论分析了其稳定性，给出了基于自适应遗传算法的参数优化方法，结合二阶ADRC的稳定条件对优化过程施以约束，以提高遗传算法的执行效率，解决了系统中控制器参数过多难以调整的问题。磁链观测是实现高性能转矩控制的基础。针对直接转矩控制系统低速时磁链观测精度差的问题，本文提出了一种基于模型优化ADRC的定子磁链观测新思路，以定子磁链的频率响应

4、函数为依据，根据其幅频和相频特性分析了磁链观测对电机参数I华中科技大学博士学位论文变化的敏感性，结果表明按照这种思路设计的定子观测器在不同的转速和负载条件下都能达到较为理想的观测精度。定子电阻是影响定子磁链观测精度的重要因素，而电机运行时定子电阻容易受到温度的影响发生变化。本文通过分析和推导，并借鉴滑模控制设计中的等价控制设计思想，同时引入不连续投影算子对标准ESO加以修正，提出了采用等价补偿ESO进行定子电阻扰动补偿的方法，缩小了观测器中汇总不确定性的范围。此外，本文还根据等价补偿ESO设计了闭环磁链观测器，将定

5、子电流检测信号中由定子电阻变化引起的扰动分离出来，采用等价补偿ESO进行估计并补偿到磁链观测值中，从而消除定子电阻估计误差的影响。最后分析了等价补偿ESO观测误差的收敛性，以及由此构造的磁链观测器对定子电阻估计误差的敏感性，结果表明这种观测器在全速度范围内对定子电阻都具有较好的鲁棒性。本文构建了以TMS320F2812DSP为核心的物理实验平台，在此平台上开展了三相感应电动机直接转矩控制系统的实验研究，对DTC-SVM系统和基于ADRC的DTC-SVM系统进行了全数字化实现，并对本文的部分研究内容进行了实验，实验结

6、果验证了新方案的正确性及可行性。关键词：直接转矩控制，自抗扰控制，扩张状态观测器，定子磁链观测，定子电阻扰动补偿方法II华中科技大学博士学位论文AbstractThedirecttorquecontrol(DTC)ofthree-phaseinductionmachinehastwotypicalcontrolstrategies:switching-table-basedDTC(ST-DTC)anddirecttorquecontrolledspacevectormodulated(DTC-SVM).ST-DTC

7、hasreceivedalotofattentionfromscholarsaroundtheworld,whichischaracterizedbyfastdynamicresponse,structuralsimplicityandstrongrobustness.However,ithasseveraldrawbacks,suchaslargetorquerippleanddifficultiesincontrolatlowspeeds.MostproblemscanbesolvedbyDTC-SVMunde

8、radequatedecoupling.Nevertheless,itishardtoachievestrongrobustnesstotime-variantdisturbanceandunmodeleddynamicsinDTC-SVM.Basedonthereviewofdomesticandoverseasliteratures,thisdisser