无刷双馈电机建模与解耦控制策略研究

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1、矣《Ａ審ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博±学位论文—级学科控制科学与工程：学科专业：控制理论与控制工程作者姓名；郭海宇夏超英教授指导教师：＊天津大学研究生院２０１５年４月？Ｉ．．－，气．独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加Ｗ标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表－或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本

2、研完所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名３签字日期：年ｆ月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可、将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行檢索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编供查阅和借阅。同意学校向国家有关部ｎ或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名；签字日期；Ｉ：ｉ．从ｆ年ｒ月寺日签字日期ｊｏｒ年ｒ月Ｍ日ｉｉ无刷双馈电机建模与解耦控制策略研究

3、ResearchonModellingandDecouplingControlStrategiesforBDFM（申请工学博士学位）一级学科：控制科学与工程学科专业：控制理论与控制工程研究生：郭海宇指导教师：夏超英教授天津大学电气与自动化工程学院二零一五年四月摘要无刷双馈电机(BrushlessDoubly-FedMachine，BDFM)取消了双馈电机中的滑环和电刷，提高了系统可靠性，使维护成本大大降低，且保留了双馈电机变频器容量小，功率因数可调等特点，在水力发电和风力发电、车载和船载轴带发电、新能源汽车动力耦合装置等领域具有广阔的应用前景。然而，无刷双馈

4、电机具有非线性强耦合的特性，其模型复杂且控制具有很大难度，因此，对无刷双馈电机进行深入研究具有十分重要的意义。本文重点研究无刷双馈电机建模方法和解耦控制策略，主要内容如下：首先，介绍无刷双馈电机的发展历史和应用前景，概括国内外在其结构和控制策略方面的研究现状，分析该电机的结构特点及运行原理。接着，从无刷双馈电机结构特性和工作原理出发，建立无刷双馈电机在转子坐标系下的数学模型，并通过旋转变换将该方程推广到任意旋转坐标系中，这些模型采用复数表达形式，结构简单紧凑，为系统性能分析和控制方法研究提供更简单的途径。之后，鉴于实际中控制电机通常带有快速响应的电流环，可以

5、视为电流源供电，通过合理地选择状态变量，建立无刷双馈电机在任意旋转坐标系下的以控制电机定子电流为输入量的状态空间方程，该状态空间方程具有仿射非线性结构。然后，针对无刷双馈电机多变量、非线性、强耦合的特点，提出反馈线性化解耦控制策略。通过控制电机磁场定向得到同步坐标系下的仿射非线性状态空间模型，在此基础上设计系统控制方案，实现电磁转矩与控制电机转子磁链的解耦控制，分析推导反馈线性化实现的必要条件，并且给出反馈线性化控制系统的稳定性证明。通过一系列的仿真研究证明：该控制策略具有优秀的解耦性能和调节性能，能够实现转矩和磁链的解耦控制，且对参数偏差具有鲁棒性。最后，

6、针对无刷双馈电机内部复杂的非线性耦合关系和外部扰动在实际中难于测量的特点，提出自抗扰控制策略，该控制策略不依赖系统的模型和参数。分别针对电机转速和控制电机磁链设计自抗扰控制器，并且针对扩张状态观测器参数设计难度大这一问题，提出两种提高观测性能且不增加参数设计工作量的改进方法。一系列仿真结果证明：自抗扰控制方法在调节过程中具有超调小、响应快的特点，能够将负载扰动和电源扰动等外部扰动与电机内部的复杂耦合一起视为总扰动进行补偿，具有很强的抗扰性能和优秀的解耦性能。关键词：无刷双馈电机，复数模型，状态空间模型，解耦控制，反馈线性化，稳定性，自抗扰控制ABSTRACT

7、TheBrushlessDoubly-FedMachine(BDFM),whichremovesthebrushgearandslipringofthedoubly-fedmachineaswellasretainstheadvantagesofsmallinvertercapacityandadjustablepowerfactor,requireslowmaintenancecostsandenhancessystemreliability.BDFMshowssignificantcommercialbenefitsforuseinvariablespe

8、eddrives,waterandwindpower