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

1、永磁同步電動機(PMSM)由于結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，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機高性能轉(zhuǎn)矩控制策略展開研究，深入討論永磁同步電動機交流調(diào)速系統(tǒng)中減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動、保持逆變器開關(guān)頻率恒定、實現(xiàn)無傳感器控制等方法，并進行了仿真分析和實驗驗證。本文研究內(nèi)容如下：
　　一、傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)中將整個定子磁鏈平面分為六個扇區(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，進而控制逆變器工作。但是僅有六個幅值固定的基本電壓矢量可供選擇，造成磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制準確度低，并且每個扇區(qū)內(nèi)電壓矢量對磁鏈的作用效果不對稱，產(chǎn)生較大脈動;另外，磁鏈和轉(zhuǎn)矩兩個數(shù)字滯環(huán)比較器的使用也會帶來磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動大，逆變器開關(guān)頻率不恒定的問題。
　　針對永磁同步電動機傳統(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)矩脈動大的問題，提出了一種基于十二矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制

3、。詳細分析了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中定子電壓矢量對磁鏈的作用效果，指出僅使用六個基本電壓矢量不能滿足系統(tǒng)的控制要求，在某些情況下還會發(fā)生電壓矢量選擇錯誤的現(xiàn)象。提出了一種增加電壓矢量的方法，利用原有的六個電壓矢量合成六個新電壓矢量，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致，而且新十二個矢量對定子磁鏈的作用效果相對平緩，有利于在砰——砰控制系統(tǒng)中實現(xiàn)對磁鏈和轉(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。
　　針對永磁同步電動機傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中存在的扇區(qū)邊界處電壓矢量對定子磁鏈的作用效果不對稱的問題，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)邊界處一個采樣周期內(nèi)磁鏈的增加量和減小量不對稱。因此將傳統(tǒng)DTC的一個扇區(qū)細分成三個小區(qū)段，實現(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題。

5、仿真結(jié)果表明該方法減小了電機磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動，磁鏈運行軌跡平滑。
　　針對永磁同步電動機傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中逆變器開關(guān)頻率不恒定、磁鏈轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，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償磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的電壓矢量，控制電機按給定狀態(tài)運行。該方法顯著的降低了

6、磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動，仿真結(jié)果證明了其準確性。
　　二、針對永磁同步電動機傳統(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題，設(shè)計了一種擴展卡爾曼濾波(EKF)算法與PMSM電流模型相結(jié)合的定子磁鏈觀測器。在兩相靜止坐標系中建立觀測器模型，將電機電流和電壓作為輸入變量，電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置作為狀態(tài)變量，并與電機的電流模型相結(jié)合，實時觀測定子磁鏈、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。EKF算法可以有效地削弱隨機干擾和量測噪聲，有效減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動的同時

7、，增強了控制系統(tǒng)的魯棒性。EKF模型中有三個需要確定的協(xié)方差矩陣，想要獲得良好的設(shè)計結(jié)果比較困難。詳細介紹了EKF協(xié)方差矩陣參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)時間和估計性能的影響，給出協(xié)方差矩陣參數(shù)選取規(guī)律。仿真和實驗結(jié)果表明，該方法磁鏈和轉(zhuǎn)速估計準確，系統(tǒng)脈動低，魯棒性強，實現(xiàn)了無傳感器運行。
　　三、設(shè)計了基于粒子濾波(PF)算法的永磁同步電動機定子磁鏈估計器。粒子濾波方法因適用于非線性、非高斯等卡爾曼濾波無法應(yīng)用的估計問題而備受關(guān)注。探索研究粒

8、子濾波在永磁同步電動機定子磁鏈估計中的應(yīng)用，詳細分析序貫粒子濾波算法原理，設(shè)計基于粒子濾波的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的定子磁鏈估計模型，通過計算機仿真驗證其有效性，并與基于擴展卡爾曼濾波的DTC系統(tǒng)性能作比較，對兩種算法的估計時間和系統(tǒng)性能進行了分析。
　　四、設(shè)計了基于降階觀測器的模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識方法，實現(xiàn)了永磁同步電動機無傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)。詳細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，用電機反電動勢降階模型和電壓