硕士学位论文单元串联式高压变频器直接磁场定向矢量控制系统的研究Research on Sensorless Vector Control System of Induction Motor for High-Power Cell-Cascaded InverterA thesis submitted toXian Jiaotong Universityin partial fulfillment of the requirementfor the degree ofMaster of Engineering ScienceByYueping Zhang (Control Theory and Control Engineering)Supervisor: Associate Prof. Chuanwen Shen June. 2009ABSTRACT（学位论文原创性声明与版权使用授权书）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日论文题目： 串联式高压变频器直接磁场定向矢量控制系统的研究学科专业： 控制理论与控制工程申 请 人： 指导教师： 摘 要本文针对高压变频调速系统，从高压变频器现状和趋势出发，分析了目前几种高压变频器的调制策略和拓扑结构的优、缺点，并给出了目前国内最常用高压变频器的优势所在。在高压变频器的串联拓扑和水平SPWM调制方法的基础上，对串联式高压变频器无速度传感器矢量控制系统进行了深入的研究。即无速度传感器矢量控制中的速度辨识和磁通观测，及上电参数自检测。磁通观测中，首先列举了电压、电流磁通观测模型和有限补偿后的电压模型磁通观测模型，并依次给出了三种模型的优、缺点，并给出选择有限补偿电压模型的依据。速度辨识中，分析了直接计算法和模型参考自适应法的优、缺点，并对模型参考自适应法的纯积分进行改进。纯积分的积分漂移，是制约模型参考自适应(MRAS)在无速度传感器矢量控制应用的一个难点。本文提出了用一个一阶低通环节和一阶高通环节组成一个闭环代替纯积分环节，仿真结果证明了该方案的可行性。本文对串联式无速度传感器矢量控制系统的设计原理进行了详细地分析，同时利用MATLAB7.0/SIMULINK建立了感应电机的无速度传感器矢量控制仿真平台，并得到了良好的仿真波形。在上述理论分析、仿真研究的基础上，本文以TI公司的DSP TMS320LF2812数字信号处理器和ALTERA公司的CYCLONEII系列FPGA做平台，组成了全数字化控制器，并在一台5kW感应电机上进行了实验研究，实验结果验证了上面算法的正确性和可行性。关 键 词: 单元串联表示非汉语主题词；变频器；无速度传感器*；矢量控制；模型参考自适应*；论文类型: 应用研究Title: Research on Sensorless Vector Control System of Induction Motor for High-Power Cell-Cascaded InverterSpeciality: Control Theory and Control EngineeringApplicant: Yueping ZhangSupervisor: Associate. Prof. Chuanwen ShenABSTRACTFrom the status and trends of high-power motor adjustable-speed drive systems, the paper do some analysis of the current high-voltage inverter modulation strategies and topologies of advantages and disadvantages, and gives the most commonly used the advantages of high-voltage inverter . Based on the topology and the SPWM modulation method,the paper have an in-depth research high-voltage inverter cascade speed sensorless vector control system. These are speed identification and the rotor flux estimation. In the flux observation, the paper list some flux observation models, and analyse the advantages and disadvantages of these models. In the speed identification,the paper introduce two scheme,which are direct calculation and model reference adaptive system(MRAS).And the analysis,about the advantages and disadvantages of those identification,is given by detailed proof. Drift in the integral integrals is a key for accuracy in model reference adaptive system(MRAS).This paper instead a pure integral, with a closed-loop negative feedback,which include one first-order low-pass and one first-order high-pass,and a very good simulation results show the feasibility of the program. The design of sensorless vector control system was analyzed in detail, and we build the platform of High-Power Cell-Cascaded Inverter using MATLAB/SIMULINK. while the simulation gets a good vector control results. On the basis of the above theory and simulation,we build the hardware platform of the High-Power Cell-Cascaded Inverter, which include TIs DSP TMS320LF2812 and CYCLONEII Series of ALTERA companies.This platform make up the all-digital controller, and experiments are got in a 5kW induction motor.And the experimental results verify the feasibility of the above algorithm.KEY WORDS: Cell-Cascaded; Converter; Sensorless; Vector ControlTYPE OF THESIS: Application Research目 录目 录1 绪论11.1 研制高压变频器意义11.2 高压变频器的发展现状和趋势21.3 课题来源和本文主要内容62 串联高压变频器结构及控制策略72.1 串联高压变频器拓扑结构72.2 串联高压变频器的组成92.2.1移相变压器102.2.2功率单元112.2.3串联输出112.3 串联高压变频器的PWM控制方法132.4 小结153 串联高压变频器无速度传感器电机参数检测、转速辨识和磁通观测方案研究163.1 无速度传感器矢量控制的转速辨识163.1.1动态速度估测器173.1.2基于扩展卡尔曼滤波器的转速辨识(EKF)183.1.3基于模型参考自适应(MRAS)的转速辨识183.1.4基于PI自适应法的速度辨识213.1.5对于模型参考自适应(MRAS)速度辨识的改进213.2 无速度传感器矢量控制的转子磁通观测233.2.1电流模型转子磁通观测器233.2.2电压模型转子磁通观测器243.2.3电压模型观测转子磁通存在问题分析及改进243.3 电机参数自检测的研究273.4 小结294 串联高压变频器控制系统设计与仿真研究304.1 感应电机矢量控制的数学模型与坐标变换304.2 基于转子磁场定向矢量控制基本策略334.3 无速度传感器矢量控制系统原理设计354.4 感应电机无速度传感器矢量控制系统控制原理374.5 串联高压变频器无速度传感器矢量仿真研究384.5.1仿真框架394.5.2仿真结果434.6 小结485 串联高压变频器实验系统研制495.1 实验系统组成495.2 系统硬件设计515.2.1控制电路硬件设计515.2.2检测电路设计545.2.3功率单元设计555.3 系统软件设计575.4 小结596 实验结果与分析606.1 硬件平台606.2 实验结果636.3 小结647 结论与展望657.1 结论657.2 存在的不足与今后工作展望65参考文献67致 谢69声 明CONTENTS CONTENTS1 Preface11.1 Significance of the development of High-voltage inverter11.2 Status and trends of High-voltage inverter21.3 Main subject of the source