高性能永磁同步電機(jī)控制方法的研究.pdf

1、永磁同步電機(jī)以其效率高，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在許多工業(yè)領(lǐng)域。近幾年，隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)制造技術(shù)及現(xiàn)代電機(jī)控制理論的迅猛發(fā)展，永磁電機(jī)及驅(qū)動控制器等硬件技術(shù)逐步成熟，而以軟形式存在于控制芯片中的各類先進(jìn)控制技術(shù)卻成為制約永磁電機(jī)發(fā)展及應(yīng)用的瓶頸。因此，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能電機(jī)控制技術(shù)，尤其是最具應(yīng)用前景的永磁電動機(jī)控制技術(shù)是目前運(yùn)動控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在此背景下，本文以提高永磁同步電機(jī)控制性能為出發(fā)點(diǎn)，對常規(guī)負(fù)載和特

2、殊負(fù)載（壓縮機(jī)）下永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行了深入研究，針對傳統(tǒng)控制方法所存在的不足，提出了新的控制方法，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些控制方法的有效性和實(shí)用性。
　　本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性的成果如下：
　　(1)利用空間矢量及坐標(biāo)變換建立了永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，然后在此模型基礎(chǔ)上對矢量控制中的最大轉(zhuǎn)矩/電流控制方法進(jìn)行了研究。針對傳統(tǒng)查表法在控制精度與動態(tài)響應(yīng)速度間的矛盾，本文提出了一種新型的基于曲線擬合

3、的最大轉(zhuǎn)矩/電流控制方法。首先根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩/電流控制基本理論建立了永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電流分量的約束關(guān)系，并將迭代法用于求取相應(yīng)的電流最優(yōu)解，然后把所得的解通過數(shù)值分析方法得到了電磁轉(zhuǎn)矩與電流分量的曲線關(guān)系。根據(jù)曲線特點(diǎn)，綜合考慮控制精度、運(yùn)算復(fù)雜度以及DSP實(shí)現(xiàn)的難易程度，將該曲線分成三段進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，并且每個擬合函數(shù)的最高次數(shù)為2，用擬合所得的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式替代傳統(tǒng)的查表法中大量的離散數(shù)據(jù)，簡化了控制算法。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新的

4、控制方法能夠提高系統(tǒng)的性能。
　　(2)通過對永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制研究，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)控制算法中存在的不足。為此本文提出了一種基于模型參考自適應(yīng)的直接轉(zhuǎn)矩控制算法。針對系統(tǒng)成本高、穩(wěn)定性低，本文將控制理論中的模型參考自適應(yīng)算法運(yùn)用于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速識別，從而省去了位置編碼器，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性而且節(jié)約了成本。針對傳統(tǒng)電壓積分法對定子磁鏈進(jìn)行估算誤差大的缺陷，在新的控制算法中采用了轉(zhuǎn)子位置和定子電流估計(jì)定子磁鏈的方法，該方法

5、受速度的影響小，提高了估算的準(zhǔn)確度。針對逆變器開關(guān)頻率不恒定的缺陷，用雙PI控制器替代傳統(tǒng)算法中的雙滯環(huán)控制器，并且運(yùn)用電壓空間矢量調(diào)制方法得到了固定的開關(guān)頻率，提高了開關(guān)器件的使用壽命和電壓利用率。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新的控制算法能夠有效地提高永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的性能。
　　(3)由變頻器驅(qū)動永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，是一種理想的調(diào)速方案，然而變頻器產(chǎn)生共模電壓影響了永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能。本文以常用的電壓源型PWM變

6、流器為研究對象，從共模電壓的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，得到了共模電壓是由一系列特定頻率的諧波組成，針對這一特性，提出了一種基于準(zhǔn)揩振控制器的共模電壓的抑制方法。根據(jù)諧振控制器在諧振頻率處增益無窮大，可以使與其諧振頻率具有相同頻率的正弦信號實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的PI控制的基礎(chǔ)上并聯(lián)一個準(zhǔn)諧振控制器，并調(diào)整其諧振頻率與共模電壓高幅值部分的頻率相匹配，對共模電壓中高幅值部分進(jìn)行重點(diǎn)補(bǔ)償，從而達(dá)到對輸出模電壓的抑制。通過仿真與實(shí)驗(yàn)對比，驗(yàn)證了該

7、控制方法的正確性和有效性。
　　(4)隨著永磁同步電機(jī)在壓縮制冷系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，如何抑制其低速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速脈動成為了研究的重點(diǎn)。為了改善永磁同步電機(jī)驅(qū)動壓縮制冷系統(tǒng)在低速運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速特性，本文提出了一種基于滑模觀測器的比例諧振控制策略。當(dāng)壓縮機(jī)處于穩(wěn)定工況運(yùn)行時，在傳統(tǒng)的PI控制器上并聯(lián)一個可變頻率諧振控制器，構(gòu)成自適應(yīng)比例諧振控制器，從而使得參考轉(zhuǎn)矩電流是由PI控制器產(chǎn)生的主要參考電流與諧振控制器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流一起構(gòu)成的。由于補(bǔ)

8、償轉(zhuǎn)矩電流的作用，使得電磁轉(zhuǎn)矩能夠更好地跟蹤負(fù)載轉(zhuǎn)矩，以此達(dá)到對轉(zhuǎn)速脈動的抑制。當(dāng)壓縮機(jī)處于變工況運(yùn)行時，為了減小負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變對永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)抗擾動性能，使用滑模觀測器對負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行觀測，并將觀測的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行前饋補(bǔ)償，以克服轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)變化時對轉(zhuǎn)速控制特性的影響。通過仿真與實(shí)驗(yàn)對比，驗(yàn)證了該控制方法的正確性和有效性。
　　論文的所有研究工作在仿真研究的基礎(chǔ)上均進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了論文的統(tǒng)一性，在本文第二中對實(shí)驗(yàn)平臺