永磁同步電機(jī)工程伺服系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、永磁同步電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、轉(zhuǎn)矩/慣量比大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代交流電機(jī)中占有舉足輕重的地位。近年來隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、電機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)正朝著大功率工程化方向發(fā)展，本文稱這類大功率工程應(yīng)用的伺服系統(tǒng)為永磁同步電機(jī)工程伺服系統(tǒng)，它有一些特殊的關(guān)鍵技術(shù)，如重載驅(qū)動(dòng)、大功率、抗擾動(dòng)、無傳感器等。本文針對(duì)其中的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：重載驅(qū)動(dòng)技術(shù)、抗擾動(dòng)自適應(yīng)控制技術(shù)和無位置傳感器控制技術(shù)進(jìn)行了一些研究和探索。
　　

2、 重載驅(qū)動(dòng)技術(shù)是提高傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)柔性化水平的核心技術(shù)，本文以曲柄伺服壓力機(jī)為對(duì)象展開永磁同步電機(jī)工程伺服系統(tǒng)的重載驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究。首先介紹了曲柄伺服壓力機(jī)樣機(jī)和重載伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各自的設(shè)計(jì)方案，以永磁同步電機(jī)和電容儲(chǔ)能裝置的組合(本文稱之為重載系統(tǒng))取代傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)的異步電機(jī)和機(jī)械飛輪-離合器組合。在此基礎(chǔ)上，對(duì)壓力機(jī)的負(fù)載特性作了分析，為使設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)工程伺服系統(tǒng)夠滿足壓力機(jī)重載驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力要求，對(duì)重載系統(tǒng)的若干關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了理論

3、分析，并提出了參數(shù)近似計(jì)算的方法及解析公式。為節(jié)約開發(fā)成本及周期，對(duì)尚未建立起來的系統(tǒng)進(jìn)行方案及可行性分析，基于C++Builder和Matlab開發(fā)了曲柄伺服壓力機(jī)機(jī)電一體化的仿真軟件。以一臺(tái)80噸的曲柄壓力機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)電容儲(chǔ)能參數(shù)與電機(jī)運(yùn)行速度之間的規(guī)律進(jìn)行了探索，提出了適合伺服壓力機(jī)局部可控運(yùn)行的電容儲(chǔ)能參數(shù)設(shè)計(jì)方案。基于該方案，分析伺服電機(jī)的恒速驅(qū)動(dòng)模式，提出了電容組儲(chǔ)能參數(shù)選取的設(shè)計(jì)方法及一組較合理的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，為實(shí)

4、現(xiàn)壓力機(jī)的變速驅(qū)動(dòng)和多適應(yīng)能力，重點(diǎn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)和壓力機(jī)的出力能力作了詳細(xì)分析，并給出了重要結(jié)論。本文設(shè)計(jì)該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件裝置(試驗(yàn)平臺(tái)1)進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果證明，本文提出的參數(shù)解析公式和設(shè)計(jì)方案是合理的，開發(fā)的仿真軟件是正確的，基于伺服電機(jī)恒速和變速驅(qū)動(dòng)仿真分析所得的結(jié)論也是準(zhǔn)確的。據(jù)此研制的電容儲(chǔ)能硬件裝置作為壓力機(jī)沖壓加工的一套蓄能裝置，不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)機(jī)械飛輪的助力功能，而且減緩了沖壓過程峰值電流對(duì)電網(wǎng)的

5、沖擊?；谠撔钅苎b置的永磁同步電機(jī)工程伺服系統(tǒng)能夠滿足壓力機(jī)重載驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力和控制要求，這為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)重載系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化和提高機(jī)械壓力機(jī)的柔性化水平奠定了基礎(chǔ)。
　　 永磁同步電機(jī)工程伺服系統(tǒng)由于功率大、負(fù)荷重、工作現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，其性能常會(huì)受到負(fù)載特征參數(shù)變化(視為擾動(dòng))的影響。本文以抑制負(fù)載力矩和慣量擾動(dòng)為目標(biāo)，基于為抑制某種擾動(dòng)而采用先辨識(shí)該擾動(dòng)再進(jìn)行補(bǔ)償或自整定的思想，提出了一種具有抗擾動(dòng)功能的自適應(yīng)控制方法。其中基礎(chǔ)性問題

6、是擾動(dòng)的有效“觀測(cè)”，針對(duì)時(shí)變慣量，設(shè)計(jì)了基于朗道和梯度思想的兩種辨識(shí)方法，針對(duì)時(shí)變負(fù)荷，提出了一種簡(jiǎn)單的降維負(fù)載觀測(cè)器對(duì)負(fù)載力矩作辨識(shí)。構(gòu)造了各自算法的仿真模型，并設(shè)計(jì)了交流電機(jī)控制平臺(tái)(試驗(yàn)平臺(tái)2)，以一臺(tái)面貼式永磁同步電機(jī)為對(duì)象作仿真和試驗(yàn)研究，結(jié)果驗(yàn)證了各自算法的正確性，朗道算法的收斂時(shí)間優(yōu)于梯度算法，梯度算法的辨識(shí)精度高于朗道算法；負(fù)載力矩觀測(cè)器能夠有效的辨識(shí)出負(fù)載力矩的大小，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能較好。本文提出的自適應(yīng)控制方法采用朗

7、道算法作慣量的辨識(shí)，并用辨識(shí)得到的結(jié)果去調(diào)整控制器參數(shù)；同時(shí)將負(fù)載觀測(cè)器辨識(shí)得到的結(jié)果前饋補(bǔ)償?shù)浇惠S電流側(cè)。由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，基于朗道算法的參數(shù)自整定方法能夠在慣量變化時(shí)作控制器參數(shù)的自調(diào)整，相比無參數(shù)自整定的系統(tǒng)，速度響應(yīng)性能得到提升。用辨識(shí)得到的負(fù)載力矩值對(duì)變載引起的速度擾動(dòng)作補(bǔ)償，同樣改善了速度響應(yīng)性能。因此，本文提出的自適應(yīng)控制方法對(duì)慣量和負(fù)載力矩?cái)_動(dòng)都具有抑制作用，能夠應(yīng)用在一些時(shí)變負(fù)荷、慢變慣量的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。
　　

8、在環(huán)境條件比較惡劣的工作場(chǎng)合，為解決物理傳感器存在而引起永磁同步電機(jī)工程伺服系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的局限性問題，本文首先對(duì)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)--轉(zhuǎn)子位置的估算展開研究。研究了適合中高速場(chǎng)合運(yùn)行的估算方法--滑模觀測(cè)器，目的是擴(kuò)展其低速運(yùn)行領(lǐng)域。鑒于目前所查資料中，針對(duì)基于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型滑模觀測(cè)器作改進(jìn)的一些方法中存在的問題，本文提出了一種新的基于數(shù)學(xué)模型改進(jìn)的滑模觀測(cè)器算法，它將估算反電勢(shì)負(fù)反饋引入到傳統(tǒng)定子電流觀測(cè)器的數(shù)學(xué)

9、模型中，通過選擇合適的反饋值可以提高低速時(shí)轉(zhuǎn)子位置的估算精度和中高速時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；文中構(gòu)造了系統(tǒng)的仿真模型，以一臺(tái)面貼式永磁同步電機(jī)為對(duì)象，基于試驗(yàn)平臺(tái)2進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，傳統(tǒng)滑模觀測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子位置估算的最低速度為50r/min，而同樣條件下數(shù)學(xué)模型改進(jìn)型滑模觀測(cè)器的低速可以擴(kuò)展到8r/min；中高速運(yùn)行時(shí)估算精度及穩(wěn)定性較好，且該算法對(duì)負(fù)載變化具有很強(qiáng)的魯棒性。研究了適合零速場(chǎng)合運(yùn)行的估算方法--電壓脈沖矢量法，詳細(xì)的分

10、析了其檢測(cè)原理及實(shí)施策略，并設(shè)計(jì)了控制器(試驗(yàn)平臺(tái)3)作測(cè)試，結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。
　　 其次，在前面對(duì)基于數(shù)學(xué)模型改進(jìn)型滑模觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子位置估算理論作驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)工程伺服系統(tǒng)的無位置傳感器閉環(huán)矢量控制，本文提出了電機(jī)在寬轉(zhuǎn)速范圍運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子位置信息估算的自適應(yīng)控制方法--反電勢(shì)反饋增益系數(shù)的自適應(yīng)律。對(duì)于轉(zhuǎn)子速度，本文采用鎖相環(huán)進(jìn)行控制。為驗(yàn)證算法的有效性，本文基于試驗(yàn)平臺(tái)2作了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于自