永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制策略研究.pdf

1、永磁同步電動機具有高轉(zhuǎn)矩慣量比、高功率因數(shù)以及高效率等優(yōu)秀特性，在高性能電氣傳動控制系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。直接轉(zhuǎn)矩控制是一種高性能的電動機控制方法，具有控制結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)快速的優(yōu)點，但是它也存在轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動大，開關(guān)頻率不恒定的缺點。為此，本文對永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制進行了深入研究。
　　本文首先建立了永磁同步電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合電壓矢量對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制作用，闡述了永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的基

2、本原理和結(jié)構(gòu)。通過轉(zhuǎn)矩和磁鏈的離散方程，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩變化率和磁鏈變化率關(guān)系式，討論了它們與電動機參數(shù)、控制周期以及直流電壓的變化關(guān)系。
　　在實際的離散控制情況下，電動機轉(zhuǎn)矩會超過滯環(huán)控制器的邊界，表現(xiàn)出較大的波動。本文在分析滯環(huán)控制缺點的基礎(chǔ)上，基于模糊控制理論對傳統(tǒng)滯環(huán)結(jié)構(gòu)進行改進。應(yīng)用模糊控制器取代滯環(huán)控制器和開關(guān)矢量表，將轉(zhuǎn)矩誤差、磁鏈誤差作為模糊輸入量，利用隸屬度的概念判斷轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差的偏差程度，進而選擇合適的電壓矢

3、量，可以減小轉(zhuǎn)矩波動。另外，提出了一種模糊占空比直接轉(zhuǎn)矩控制方法，在傳統(tǒng)滯環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入模糊占空比控制器。由于模糊占空比控制器考慮了電動機轉(zhuǎn)速的影響，因此在減小轉(zhuǎn)矩波動的基礎(chǔ)上，可以有效消除轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)態(tài)誤差。通過仿真驗證了所設(shè)計的模糊控制器的有效性。
　　基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制，可以在有效減小轉(zhuǎn)矩波動的同時，獲取恒定的開關(guān)頻率。本文對基于參考磁鏈矢量計算的直接轉(zhuǎn)矩控制的原理進行了詳細分析，通過對非線性的轉(zhuǎn)矩方程進行局部線

4、性化，獲取了轉(zhuǎn)矩環(huán)控制模型，由此對轉(zhuǎn)矩環(huán)控制器參數(shù)進行了設(shè)計。另外，對基于定子磁鏈定向的直接轉(zhuǎn)矩控制原理進行了分析，并設(shè)計了轉(zhuǎn)矩環(huán)控制器和磁鏈環(huán)控制器的參數(shù)。通過仿真驗證了所設(shè)計的方案可以有效減小轉(zhuǎn)矩波動，并證明了所提出控制器參數(shù)設(shè)計方法的有效性。
　　永磁同步電動機本質(zhì)上是一個復(fù)雜的非線性、多參數(shù)控制對象，同時受到不確定負載擾動的作用。為了有效利用永磁同步電動機的非線性特性實現(xiàn)對其的高性能控制，本文提出了滑模反步直接轉(zhuǎn)矩控制策略

5、。利用指數(shù)趨近律設(shè)計了滑模速度控制器，有效抑制了外部擾動的影響，并通過建立轉(zhuǎn)矩和磁鏈子系統(tǒng)，設(shè)計了反步控制器，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制。通過李雅普諾夫穩(wěn)定性定理，證明了所設(shè)計的非線性控制器是穩(wěn)定的。通過仿真驗證了所提出的控制策略的正確性和有效性。
　　針對永磁同步電動機無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制，對傳統(tǒng)滑模觀測器的原理和結(jié)構(gòu)進行了分析。由于傳統(tǒng)滑模觀測器需要使用低通濾波器對觀測到的反電動勢項進行濾波，并對估算角度進行相應(yīng)的補償，故

6、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度有限。在此基礎(chǔ)上，本文使用sigmoid連續(xù)函數(shù)代替了開關(guān)函數(shù)，避免了使用濾波器對觀測精度造成的影響，并結(jié)合反電動勢觀測器設(shè)計了一種改進的滑模觀測器。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的改進滑模觀測器能準確的實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的觀測。
　　最后以TI公司TMS320F28335為核心處理單元搭建了物理實驗平臺，介紹了實驗平臺的硬件結(jié)構(gòu)及軟件控制流程，并在此平臺上對本文研究的直接轉(zhuǎn)矩控制策略進行了實驗，對實驗結(jié)果進行了比較和分析。