永磁同步電動(dòng)機(jī)高性能轉(zhuǎn)矩控制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)矩慣量比高，損耗少，效率高，而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，研究高性能永磁同步電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)具有廣闊的前景和重要的意義。本文圍繞永磁同步電動(dòng)機(jī)高性能轉(zhuǎn)矩控制策略展開(kāi)研究，深入討論永磁同步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)中減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、保持逆變器開(kāi)關(guān)頻率恒定、實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器控制等方法，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文研究?jī)?nèi)容如下：
　　一、傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)中將整個(gè)定子磁鏈平面分為六個(gè)扇區(qū)，

2、根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩要求及磁鏈位置選擇合適的空間電壓矢量，進(jìn)而控制逆變器工作。但是僅有六個(gè)幅值固定的基本電壓矢量可供選擇，造成磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制準(zhǔn)確度低，并且每個(gè)扇區(qū)內(nèi)電壓矢量對(duì)磁鏈的作用效果不對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生較大脈動(dòng);另外，磁鏈和轉(zhuǎn)矩兩個(gè)數(shù)字滯環(huán)比較器的使用也會(huì)帶來(lái)磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，逆變器開(kāi)關(guān)頻率不恒定的問(wèn)題。
　　針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中存在的可供選擇的定子電壓矢量少導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題，提出了一種基于十二矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制

3、。詳細(xì)分析了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中定子電壓矢量對(duì)磁鏈的作用效果，指出僅使用六個(gè)基本電壓矢量不能滿(mǎn)足系統(tǒng)的控制要求，在某些情況下還會(huì)發(fā)生電壓矢量選擇錯(cuò)誤的現(xiàn)象。提出了一種增加電壓矢量的方法，利用原有的六個(gè)電壓矢量合成六個(gè)新電壓矢量，新電壓矢量與原電壓矢量一起作為可供選擇的空間電壓矢量。該方法電壓矢量選擇更細(xì)致，而且新十二個(gè)矢量對(duì)定子磁鏈的作用效果相對(duì)平緩，有利于在砰——砰控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的精確控制。仿真結(jié)果證明了這種方法能夠有效地減

4、小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
　　針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中存在的扇區(qū)邊界處電壓矢量對(duì)定子磁鏈的作用效果不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題，提出了一種基于十八區(qū)段的直接轉(zhuǎn)矩控制。定子磁鏈的變化量與采樣周期、該周期內(nèi)作用的電壓矢量幅值、電壓矢量與磁鏈之間的夾角有關(guān)系，傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中扇區(qū)邊界處一個(gè)采樣周期內(nèi)磁鏈的增加量和減小量不對(duì)稱(chēng)。因此將傳統(tǒng)DTC的一個(gè)扇區(qū)細(xì)分成三個(gè)小區(qū)段，實(shí)現(xiàn)了基于十八區(qū)段的直接轉(zhuǎn)矩控制，有效的解決了扇區(qū)內(nèi)磁鏈變化量不平衡的問(wèn)題。

5、仿真結(jié)果表明該方法減小了電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，磁鏈運(yùn)行軌跡平滑。
　　針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中逆變器開(kāi)關(guān)頻率不恒定、磁鏈轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題，提出了基于空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。用空間電壓矢量調(diào)制模塊代替了原有的滯環(huán)比較器和電壓矢量選擇表，保證逆變器開(kāi)關(guān)頻率恒定。根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制要求、定子磁鏈位置信息，利用空間電壓矢量調(diào)制方法合成能夠恰好補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的電壓矢量，控制電機(jī)按給定狀態(tài)運(yùn)行。該方法顯著的降低了

6、磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，仿真結(jié)果證明了其準(zhǔn)確性。
　　二、針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈積分器存在誤差積累和積分飽和的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)算法與PMSM電流模型相結(jié)合的定子磁鏈觀測(cè)器。在兩相靜止坐標(biāo)系中建立觀測(cè)器模型，將電機(jī)電流和電壓作為輸入變量，電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置作為狀態(tài)變量，并與電機(jī)的電流模型相結(jié)合，實(shí)時(shí)觀測(cè)定子磁鏈、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。EKF算法可以有效地削弱隨機(jī)干擾和量測(cè)噪聲，有效減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的同時(shí)

7、，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的魯棒性。EKF模型中有三個(gè)需要確定的協(xié)方差矩陣，想要獲得良好的設(shè)計(jì)結(jié)果比較困難。詳細(xì)介紹了EKF協(xié)方差矩陣參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和估計(jì)性能的影響，給出協(xié)方差矩陣參數(shù)選取規(guī)律。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法磁鏈和轉(zhuǎn)速估計(jì)準(zhǔn)確，系統(tǒng)脈動(dòng)低，魯棒性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)傳感器運(yùn)行。
　　三、設(shè)計(jì)了基于粒子濾波(PF)算法的永磁同步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈估計(jì)器。粒子濾波方法因適用于非線(xiàn)性、非高斯等卡爾曼濾波無(wú)法應(yīng)用的估計(jì)問(wèn)題而備受關(guān)注。探索研究粒

8、子濾波在永磁同步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈估計(jì)中的應(yīng)用，詳細(xì)分析序貫粒子濾波算法原理，設(shè)計(jì)基于粒子濾波的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的定子磁鏈估計(jì)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證其有效性，并與基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的DTC系統(tǒng)性能作比較，對(duì)兩種算法的估計(jì)時(shí)間和系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析。
　　四、設(shè)計(jì)了基于降階觀測(cè)器的模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)。詳細(xì)闡述模型參考自適應(yīng)方法原理及波波夫超穩(wěn)定性理論，用電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)降階模型和電壓