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直线感应电机可直接产生推力进行直线运动,因此以直线感应电机驱动的系统,可省去中间传动机构,系统结构设计更加紧凑,从而可以减小系统的体积和质量。得益于上述优点,直线感应电机在轨道交通、精密仪器、航空航天以及自动化设备等领域具有广泛的应用价值。直线感应电机的无速度传感器控制方法相比有速度传感器控制,省去了精密、昂贵的速度传感器,减小了系统的体积,降低了系统的成本,同时还可以大幅提高系统的可靠性,因此得到了国内外学者的广泛关注和研究。但是,目前直线感应电机的无速度传感器控制仍然存在以下几个方面的问题亟需解决:(1)直线感应电机无速度传感器控制的动态性能需要提高,并且控制器和观测器的参数调节复杂;(2)直线感应电机无速度传感器控制在低速再生制动时,系统的稳定性较差;(3)不同工况下电机参数的变化会使速度观测器产生较大的速度估计误差,影响控制的精度和稳定性,因此直线感应电机无速度传感器控制必须提高对电机参数变化的鲁棒性。本文将针对上述三个问题进行深入的研究,为直线感应电机无速度传感器控制的应用提供参考。
首先,为了获得直线感应电机控制所需要的基本参数研究了直线感应电机的离线参数辨识方法。所研究的方法在轴上通过电流闭环,给电机输入单相正弦带偏置的激励,并采用相应的延时补偿和死区时间补偿方法,避免了逆变器非线性对辨识结果的影响,提高了电机参数辨识的精度。
其次,在此基础上对直线感应电机无速度传感器控制的动态性能进行了研究,系统地从速度观测器和速度控制器两个方面对直线感应电机的无速度传感器控制方法进行了优化,最终得到了一种速度跟踪性能和负载扰动抑制性能完全解耦的二自由度无速度传感器控制方法。采用该方法,可通过调节速度控制器参数改变系统的速度跟踪性能,而不影响系统的负载抗扰性能;同时,改变速度观测器的参数可改变系统的负载抗扰性能且不影响系统的速度跟踪性能。因此既实现了速度跟踪性能和负载抗扰性能的同时优化,又可以实现系统参数调试的简便化。
再次,基于上述提出的二自由度无速度传感器控制方法,本文进一步地研究了直线感应电机无速度传感器控制的稳定性问题。通过分析该方法的稳定性和阻尼特性,揭示了上述方法对负载扰动响应欠阻尼的原因,同时得到了观测器反馈增益的改进设计方法,可确保电机在低速再生制动运行时控制系统的稳定性。为了进一步提高系统对负载扰动的阻尼,提出了一种逆系统的观测器改进方法,同时给出了相应的自适应参数设计方法。改进后的无速度传感器控制方法,一方面可通过给出的反馈增益确保低速再生发电运行下的稳定性,改善系统的负载抗扰性能,另一方面可实现速度跟踪性能、负载抗扰性能和稳定性的解耦,即:稳定性由速度观测器的反馈增益决定,速度跟踪性能仅由速度控制器参数调节,负载抗扰性能由速度观测器的自适应参数调节。
最后,本文针对直线感应电机无速度传感器控制的参数鲁棒性问题进行了研究。为了解决电机运行过程中初级电阻变化对直线感应电机无速度传感器控制系统的影响,提出了一种基于初级电阻在线辨识的二自由度无速度传感器控制方法。此外,考虑到直线感应电机的互感变化问题,相应提出了一种基于互感在线辨识的二自由度无速度传感器控制方法。
首先,为了获得直线感应电机控制所需要的基本参数研究了直线感应电机的离线参数辨识方法。所研究的方法在轴上通过电流闭环,给电机输入单相正弦带偏置的激励,并采用相应的延时补偿和死区时间补偿方法,避免了逆变器非线性对辨识结果的影响,提高了电机参数辨识的精度。
其次,在此基础上对直线感应电机无速度传感器控制的动态性能进行了研究,系统地从速度观测器和速度控制器两个方面对直线感应电机的无速度传感器控制方法进行了优化,最终得到了一种速度跟踪性能和负载扰动抑制性能完全解耦的二自由度无速度传感器控制方法。采用该方法,可通过调节速度控制器参数改变系统的速度跟踪性能,而不影响系统的负载抗扰性能;同时,改变速度观测器的参数可改变系统的负载抗扰性能且不影响系统的速度跟踪性能。因此既实现了速度跟踪性能和负载抗扰性能的同时优化,又可以实现系统参数调试的简便化。
再次,基于上述提出的二自由度无速度传感器控制方法,本文进一步地研究了直线感应电机无速度传感器控制的稳定性问题。通过分析该方法的稳定性和阻尼特性,揭示了上述方法对负载扰动响应欠阻尼的原因,同时得到了观测器反馈增益的改进设计方法,可确保电机在低速再生制动运行时控制系统的稳定性。为了进一步提高系统对负载扰动的阻尼,提出了一种逆系统的观测器改进方法,同时给出了相应的自适应参数设计方法。改进后的无速度传感器控制方法,一方面可通过给出的反馈增益确保低速再生发电运行下的稳定性,改善系统的负载抗扰性能,另一方面可实现速度跟踪性能、负载抗扰性能和稳定性的解耦,即:稳定性由速度观测器的反馈增益决定,速度跟踪性能仅由速度控制器参数调节,负载抗扰性能由速度观测器的自适应参数调节。
最后,本文针对直线感应电机无速度传感器控制的参数鲁棒性问题进行了研究。为了解决电机运行过程中初级电阻变化对直线感应电机无速度传感器控制系统的影响,提出了一种基于初级电阻在线辨识的二自由度无速度传感器控制方法。此外,考虑到直线感应电机的互感变化问题,相应提出了一种基于互感在线辨识的二自由度无速度传感器控制方法。