永磁同步電動機磁場定向控制的研究.pdf

1、永磁交流伺服系統(tǒng)作為電氣傳動領域的重要組成部分，在工業(yè)、農業(yè)、航空航天等領域發(fā)揮越來越重大的作用。永磁同步電動機以其顯著特點廣泛應用于中小功率傳動場合，成為研究的重要領域。本文主要圍繞如何提高永磁同步電動機的控制性能，借助自行開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)控制平臺，對永磁同步電動機的磁場定向控制進行深入分析，并就磁場定向下的有位置傳感器控制方法以及無傳感器控制進行了研究。進而提出一種高精度的混合控制方法，對前文方法本身存在的不足進行了彌補

2、與改善，更進一步提高了系統(tǒng)控制精度。 詳細分析了電機在靜止三相，靜止兩相以及旋轉兩相坐標系下的數(shù)學模型，深入討論了基于磁場定向的矢量控制與直接轉矩控制的原理與實現(xiàn)方式，為后續(xù)的研究奠定了基礎。對五種矢量控制形式進行了闡述，對其各自的特點、適用場合、特性曲線進行了對比與分析。對直接轉矩下的負載角對性能的影響及其與電磁轉矩的關系進行了分析。最后通過仿真與實驗重點對比了兩種磁場定向控制方法的動態(tài)與靜態(tài)控制性能，對兩者的異同點作出了結論

3、。 對神經網(wǎng)絡在矢量控制中的應用進行了探討，將多用于機器人控制的CMAC神經網(wǎng)絡引入矢量控制，與傳統(tǒng)PID調節(jié)器共同構建復合控制器對速度進行調節(jié)，小腦模型神經網(wǎng)絡控制器實現(xiàn)前饋控制，通過訓練獲得非線性被控對象的逆動態(tài)模型，常規(guī)PID控制實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性且抑止擾動，采用改進的Albus算法提高網(wǎng)絡學習和收斂的速度，通過與單純PID控制效果的對比，該方法提高了系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能與魯棒性。 提出一種空間矢量轉

4、矩控制方法，其本質是基于空間矢量PWM調制的直接轉矩控制，利用直接轉矩控制中檢測與估算的信號根據(jù)定子電壓計算模型進行推導，得出定子電壓的兩相運動坐標系分量并合成定子電壓。充分借助SVPWM連續(xù)調節(jié)的優(yōu)點，回避了傳統(tǒng)直接轉矩控制通過六個離散的基本空間矢量對定子磁鏈及電磁轉矩實施控制而造成的轉矩與電流脈動。設計了空間矢量轉矩控制的結構，并進行了仿真與實驗研究，結果證明了該方法的有效性。 現(xiàn)代交流傳動系統(tǒng)對其伺服控制的低速性能及精度提

5、出了越來越高的要求，低速性能作為衡量伺服系統(tǒng)性能的重要指標引起人們的重視。本文詳細分析了定子電流、摩擦力、齒槽效應以及控制系統(tǒng)本身等幾個主要因素對電機低速性能造成的影響，并針對這些因素提出了相應的解決辦法，提出一種基于給定轉速改變調節(jié)器結構及參數(shù)的控制方案，能夠有效減小因定子電流擾動、齒槽效應以及摩擦力帶來的轉速波動，并針對算法實現(xiàn)環(huán)節(jié)對低速性能的影響進行了補償，有效上述磁場定向下的控制方法均需依靠位置傳感器進行，本文還對磁場定向下的無

6、傳感器控制問題進行了研究。對現(xiàn)有的一些無傳感器控制方法作出歸納后，首先對無傳感器控制中的電機轉子初始位置檢測問題進行了研究，分析了初始位置檢測原理并提出一種基于漸變電壓矢量注入的初始位置檢測方法，仿真與實驗研究證明了設計的有效性。重點對基于擴展卡爾曼濾波器的無位置傳感器磁場定向控制方法進行了研究，分析了擴展卡爾曼濾波器的遞推原理，首先在矢量控制中加以實現(xiàn)：并針對直接轉矩控制的特點，設定不同的輸入與輸出量，利用同一種原理在不同控制方法下進

7、行了新的嘗試，由于卡爾曼濾波器不需要準確的初始值，所以解決了直接轉矩控制對轉子初始位置的要求，該方法實現(xiàn)了定子磁鏈和轉子轉速的估算，能夠有效提高定子磁通觀測的準確性，對電動機參數(shù)變化、負載擾動具有較強的魯棒性。 為達到更高精度的控制性能，本文提出一種基于β角變換的混合控制方法。在矢量圖中定義了β角并根據(jù)電磁轉矩方程推導出最大電磁轉矩對應的β值，以此為基礎分析了i<,d>=0控制下電磁轉矩、負載變化與β角的關系。設計了基于β角觀測

8、的混合控制方法，在不同情況下采取頻率換向或位置換向的不同控制方式，并設計過渡控制消除兩者切換造成的波動。推導了β角的穩(wěn)定工作范圍并研究了不同控制方式的切換條件。仿真與實驗結果證明了設計的有效性。在此基礎上，本文設計了基于混合控制的PMSM無傳感器控制方法，充分考慮頻率換向無需位置傳感器的特點，使系統(tǒng)大部分時間運行在高精度的無傳感器控制方式，僅在啟動及負載突變時改用無傳感控制模式下的位置換向方式，并將本文研究的基于卡爾曼濾波器的無傳感器控