选题依据及研究意义

由于异步牵引电动机的结构简单、坚固耐用、维修量小、价格便宜、易于制造和单位体积功率大等优点，异步牵引电动机交流传动系统以其无比可拟的卓越性能在国内外电力牵引领域占据了主导地位，而直接转矩控制技术室最具竞争力的异步电动机控制策略。磁链观测是直接转矩控制方法的核心环节，观测性能的优劣直接决定着控制系统的控制性能，所以在磁链观测方面的研究对直接转矩技术的发展具有重要意义。并可以预见其应用前景广阔。传统的此联观测方法结合神经网络、模糊控制等新兴的技术，会使直接转矩控制系统的精确度、鲁棒性、稳定性上升到一个新的高度，同时新技术的应用也减少了控制系统的硬件设备，从而降低了控制系统的运行成本。因此，完善传统的磁链观测模型，应用新兴技术提高其观测性能是一项开拓性工作，队直接转矩控制方法在电机变频调速领域的发展有重要的实际意义，也必将带来可观的经济和社会效应。

文 献 综 述

直接转矩控制（Direct Torque Control）是1985年由德国鲁尔大学M.Depenbrock教授首先提出，是一种继矢量变换技术之后发展起来的一种异步电动机变频调速技术。直接转矩控制技术从其诞生之日起，就以其新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的静、动态性能受到了普遍注意并得到迅速发展。在国外，直接转矩控制技术的理论已经比较成熟，应用也得到不断发展。目前该技术已成功的应用在变频器生产、电力机车牵引系统、垂直升降系统等大功率交流调速应用场合。

在国内以清华大学的李永东教授和南京航空航天大学的胡育文教授为主的研究队伍在这方面的研究比较深入，在低频和死区控制方面提出了许多卓有成效的解决方法。南车集团公司在研究开发电力牵引交流传动控制技术上占领地位，近年采用这种方案研制了DJ型电力机车、DJJ1型电动车组的交流传动系统。近年来很多高校和科研单位在直接转矩方面的研究还处于蓬勃发展阶段。

伴随着直接转矩控制方法在交流电机变频调速领域的深入发展，直接转矩控制技术被广泛的应用到生产生活中，其在现在交流电气传动中占有越来越重要的地位，因此人们对电动机控制提出了更高的要求。改良控制系统中磁链观测模型的观测特性，应用新兴技术提高观测精度是一种非常有效的途径，也是直接转矩控制领域的研究热点之一。

现代轨道交通高性能牵引传动技术大都采用磁场定向控制( Field Oriented Cont rol , FOC) 或直接转矩控制( Direct Torque Cont rol , DT C) , 而准确的磁链观测, 是实现FOC 和DT C 的关键. 目前工业实用的磁链观测方法主要包括电流模型、电压模型和

基于两者切换的混合模型. 电流模型由于对电机转子参数的敏感性, 引起磁链观测的不准确性程度高, 一般只应用于低速场合. 对于轨道交通牵引传动这种高性能调速应用场合,由于电压模型具有转子参数的不敏感性且无需速度信号等优点, 因而被广泛应用, 国外如SIMENS、ALSTOM 等公司牵引变流器磁链观测均应用了电压模型.电压模型的实际应用主要存在两个问题: 一是低速场合对定子电阻变化较敏感; 二是模型中对反电动势的纯积分环节易引起观测误差. 前者可以通过在线调整定子电阻参数降低影响; 而后者在实际应用中, 由于电磁干扰、传感器测量和采样误差等造成纯积分环节直流偏置和积分饱和的问题更为显著, 所以本文作者主要对后者的影响做分析和研究.针对传统电压模型磁链观测器中引入低通滤波器后, 带来幅值相位误差及滤波最佳截止频率选择问题, 本文提出了一种高通滤波器和低通滤波器串联, 且对电压模型中的电压项和电流项分别积分的改进型电压模型转子磁链观测器. 文中分析了该改进型磁链观测器性能提高的原因, 推导了高通滤波器和低通滤波器引起的幅值和相位误差补偿算法. 仿真和实验验证了补偿算法的有效性, 并且新的改进型转子磁链观测器在电机全速范围内具有优良的稳态和动态性能, 具有较高的工程实践价值.

通常情况下, 采用一阶低通滤波器( Low-Pass Fil-ter, LPF) 代替纯积分环节消除直流累积影响, 但LPF会观测磁链的幅值和相位误差, 特别是在低速情况下, 将对系统性能产生较大不良影响. 文献[ 1] 分析了LPF 的幅值和相位误差, 提出了简单的补偿方法, 但此方法只适应于稳态, 且需要进行状态切换, 影响控制稳定性. 文献[ 2] 对反电动势进行高通滤波(High-Pass Filter, HPF) 并采用移动平均计算的方法消除直流偏置, 但未进行磁链的幅值和相位补偿, 观测误差大. 文献[ 3] 提出对电压模型中的电压和电流部分采用不同的截止频率, 但磁链限幅环节的使用在低速时可能会导致磁链波形畸变, 观测性能不理想. 文献[ 4]采用了磁链幅值自适应补偿的方法, 这种方法可以获得较宽调速范围的补偿效果, 但计算复杂[ 5], 且引入的PI 调节器也易造成系统不稳定.本文作者在文献[ 1-3] 的基础上, 提出了一种对模型中的电压和电流项分别串联HPF 和LPF 的改进型磁链观测方法, 该方法根据同步频率对HPF 和LPF 的截止频率在线调整, 并实时补偿HPF 和LPF引起的幅值和相位观测误差, 从而使磁链观测器在电机全速范围内均具有较理想的观测效果, 提高了系统性能, 并进行了仿真和实验验证.