永磁同步電動機高性能轉矩控制關鍵技術研究.pdf

1、永磁同步電動機(PMSM)由于結構簡單，運行可靠，轉矩慣量比高，損耗少，效率高，而廣泛應用于工業(yè)領域，研究高性能永磁同步電機交流調速系統(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矩控制策略展開研究，深入討論永磁同步電動機交流調速系統(tǒng)中減小磁鏈和轉矩脈動、保持逆變器開關頻率恒定、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。本文研究內容如下：
　　一、傳統(tǒng)直接轉矩控制(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，造成磁鏈和轉矩控制準確度低，并且每個扇區(qū)內電壓矢量對磁鏈的作用效果不對稱，產(chǎn)生較大脈動;另外，磁鏈和轉矩兩個數(shù)字滯環(huán)比較器的使用也會帶來磁鏈和轉矩脈動大，逆變器開關頻率不恒定的問題。
　　針對永磁同步電動機傳統(tǒng)直接轉矩控制中存在的可供選擇的定子電壓矢量少導致磁鏈和轉矩脈動大的問題，提出了一種基于十二矢量的直接轉矩控制

3、。詳細分析了傳統(tǒng)直接轉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)對磁鏈和轉矩的精確控制。仿真結果證明了這種方法能夠有效地減

4、小磁鏈和轉矩脈動。
　　針對永磁同步電動機傳統(tǒng)直接轉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)段的直接轉矩控制。定子磁鏈的變化量與采樣周期、該周期內作用的電壓矢量幅值、電壓矢量與磁鏈之間的夾角有關系，傳統(tǒng)直接轉矩控制中扇區(qū)邊界處一個采樣周期內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)段的直接轉矩控制，有效的解決了扇區(qū)內磁鏈變化量不平衡的問題。

5、仿真結果表明該方法減小了電機磁鏈和轉矩脈動，磁鏈運行軌跡平滑。
　　針對永磁同步電動機傳統(tǒng)直接轉矩控制中逆變器開關頻率不恒定、磁鏈轉矩脈動大的問題，提出了基于空間電壓矢量調制技術的直接轉矩控制方法。用空間電壓矢量調制模塊代替了原有的滯環(huán)比較器和電壓矢量選擇表，保證逆變器開關頻率恒定。根據(jù)磁鏈和轉矩控制要求、定子磁鏈位置信息，利用空間電壓矢量調制方法合成能夠恰好補償磁鏈和轉矩誤差的電壓矢量，控制電機按給定狀態(tài)運行。該方法顯著的降低了

6、磁鏈和轉矩脈動，仿真結果證明了其準確性。
　　二、針對永磁同步電動機傳統(tǒng)直接轉矩控制中磁鏈積分器存在誤差積累和積分飽和的問題，設計了一種擴展卡爾曼濾波(EKF)算法與PMSM電流模型相結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，電機轉速和轉子位置作為狀態(tài)變量，并與電機的電流模型相結合，實時觀測定子磁鏈、轉速和轉子位置。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，想要獲得良好的設計結果比較困難。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。仿真和實驗結果表明，該方法磁鏈和轉速估計準確，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用的估計問題而備受關注。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用，詳細分析序貫粒子濾波算法原理，設計基于粒子濾波的PMSM直接轉矩控制系統(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、設計了基于降階觀測器的模型參考自適應轉速辨識方法，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