实时效率最优的感应电机无差拍直接转矩控制研究

本项目拟采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法，研究感应电机直接转矩控制系统（DTC）的效率最优控制方法。研究在极低速到弱磁升速区域和不同负载情况下，感应电机DTC系统的节能运行模式。在建立感应电机离散化模型的基础上，深入研究感应电机的无差拍（Deadbeat）直接转矩控制原理和实现结构。研究一类离散磁链预测观测器的工作机制。采用解析和几何图形分析方法，研究在逆变器输出电压受限和不同负载条件下，无差拍 DTC定子电压解的特性。通过在无差拍DTC系统中引入效率优化机制，研究具有优良动静态性能和高能量转换效率的感应电机控制策略。给出感应电机无差拍DTC系统在低速轻载和磁链调节过程中的转矩脉动抑制方法。在全面揭示无差拍DTC和一类实时效率最优控制算法工作机理的基础上，设计实现一种效率最优的感应电机无差拍DTC数字控制方案。为感应电机的调速与伺服控制提供一种高效节能和动静态性能优良的控制策略。

按照项目申请书的计划安排。项目组分别在感应电机的无差拍直接转矩控制方法及数字实现技术、状态观测器设计、效率优化控制策略、转矩脉动抑制技术和直接转矩控制系统的抗饱和控制器设计方向开展研究。在感应电机的无差拍直接转矩控制方法和基于损耗模型的效率最优直接转矩控制技术方面取得了预期成果，在状态观测器设计和转矩脉动抑制方面取得了积极进展。在国内核心期刊上发表和录用论文16篇，国际会议论文2篇，EI收录8篇。申请发明专利2项（其中1项已授权）。培养硕士研究生9名（其中5名已通过答辩，另外4名在读）。项目研究取得理论和实验成果，为今后进一步的深入研究奠定了基础；取得的技术专利，在电动汽车、空间电机驱动装置和船舰驱动系统等领域，有较好的应用前景。项目完成的主要研究工作包括以下几个方面：.1. 感应电机的无差拍直接转矩控制方法.在定子磁场定向坐标系中，以定子和转子磁链为状态变量，导出了空间矢量无差拍直接转矩控制的电压控制律。在分析过程中引入了一种图形化表示，直观地揭示了电压矢量解的物理含义。解决了二电平电压源逆变器输出电压限制条件下，无差拍直接转矩控制的数字实现问题，针对电机的不同运行工况要求，给出了三种可选的电压矢量解的实现方案。.2. 感应电机直接转矩控制系统的效率最优控制策略.提出了效率最优的感应电机直接转矩控制方法。在定子磁链定向坐标系中，建立了计及铁芯损耗时的感应电机数学模型。分析了电机损耗与转矩、转速和定子磁链的关系，导出了不同运行工况条件下效率最优的定子磁链幅值计算式，完成了控制算法的计算机仿真和实验。并对其在电动汽车电驱动系统中的应用进行了初步的探索。.3. 感应电机直接转矩控制系统的滑模状态观测器的设计.提出了一种定子磁链滑模观测器，采用李雅普诺夫稳定性理论证明了观测器是渐近收敛的。在此基础上设计了基于新型滑模观测器的感应电机无速度传感器直接转矩控制系统，实验结果表明，控制系统具有转矩动态响应快、转速控制精度高的特点。