交流永磁同步电动机的精确模型与非线性控制的研究

摘要

交流永磁同步电动机具有高效率、高功率密度、高可靠性、控制特性好等优点，已经在国防、国民经济各领域获得了越来越广泛的应用。建立交流永磁同步电动机的精确数学模型，可以实现励磁电流分量与转矩电流分量的精确分离，提高电磁转矩控制的快速性与准确性，然而磁路饱和、交叉耦合、铁心损耗等都在不同程度上影响着模型精确性。 本文以高性能的速度伺服系统为目标，在交流永磁同步电动机的精确数学模型、齿槽力矩分析与抑制、非线性控制策略等方面进行了较为深入的系统研究。交流永磁同步电动机的数学模型是进行控制系统设计、分析系统静态与动态性能的基础，并且能够为改善交流永磁同步电动机伺服系统的性能提供理论依据。磁场分布的复杂性以及磁路饱和使得交流永磁同步电动机的电感有别于普通同步电动机。铁心损耗也是交流永磁同步电动机数学模型中的一个重要参数。采用传统的矢量控制策略时，通常忽略铁心损耗的影响。本文采用数值法定量分析了不同负载情况下交、直轴电感与电流的关系；采用损耗分离的方法，计算了考虑旋转磁场作用的交流永磁同步电动机的铁心损耗。在上述分析的基础上，建立了考虑磁路饱和与铁损时交流永磁同步电动机的数学模型，该模型的精确度较高，可以提高矢量控制系统的力矩控制精度。高性能伺服驱动系统需要良好的力矩控制，而转矩脉动会引起电机的转速波动，降低速度或位置控制系统的控制精度。齿槽力矩是转矩脉动的一个重要成分，有效地抑制或消除齿槽力矩具有重要的意义。本文在分析永磁电机齿槽力矩的产生机理的基础上，采用极槽配合法抑制永磁电机的理想齿槽力矩。采用了数值法定量分析了电机制造过程中的定、转子缺陷产生的非理想齿槽力矩。并采用了磁钢形状优化法、闭口槽法和定子齿冠开槽法抑制非理想齿槽力矩。试验结果表明，磁钢形状优化法可以有效抑制齿槽力矩的高次谐波，而闭口槽法与定子齿冠开槽法可以有效抑制非理想齿槽力矩。根据应用场合的不同，可以结合极槽配合法与定子齿冠开槽法将齿槽力矩抑制到一个合理的范围内。矢量控制理论是实现电机转矩有效控制的基础。本文运用数字信号处理器实现了交流永磁同步电动机的数字化矢量控制。研究了一种快速空间矢量脉宽调制法，并运用到交流永磁同步电动机的旋转坐标系下的电流控制。采用PI调节器实现交流永磁同步电动机的速度控制，并采用加权临界灵敏度法整定调节器参数。试验结果表明，本文所采用的快速空间矢量脉宽调制法运算量少、执行速度快，实现了电流的快速无静差控制。本文设计的速度调节器可以显著降低电机的转速超调，取得较好的稳态性能。采用线性控制策略的交流永磁同步电动机系统的动态性能不够理想，为此本文将一种先进的非线性控制策略——自适应反步控制及其改进方法——动态表面控制应用到交流永磁同步电动机中，通过结合自适应控制，实现转动惯量、摩擦系数、负载力矩等不确定机械参数和逆变器非线性、永磁体磁链等不确定电气参数的自适应估计。采用一种新颖的负载力矩自适应估计法，有效抑制初始速度跟随误差大对速度响应的影响。为了进一步提高系统的鲁棒性，本文采用滑模估计器进行不确定电气参数的辨识，而采用递推二乘法进行转动惯量辨识。试验结果表明，自适应反步控制可以实现交流永磁同步电动机的无超调转速控制，并且显著提高伺服驱动系统的速度跟随精度、响应速度、抗扰动能力以及鲁棒性。滑模估计器具有滑模控制的固有特性，系统的鲁棒性得到进一步提高。与线性控制策略对比，非线性控制策略可以显著提高系统的动态性能，保证整个伺服驱动范围内的全局稳定性。实践证明，采用自适应反步控制的交流永磁同步电动机系统，可以满足高性能伺服驱动系统的高要求，具有宽广的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2交流永磁同步电动机的发展

1.3交流永磁同步电动机关键问题的研究

1.3.1交、直轴电感的研究

1.3.2铁心损耗的研究

1.3.3转矩脉动的分析与抑制

1.3.4电流控制方法的研究

1.3.5空间矢量脉宽调制方法的研究

1.3.6永磁同步电动机的非线性控制

1.4本文的主要研究内容

第2章考虑磁路饱和与铁损时交流永磁同步电动机的数学模型

2.1引言

2.2交流永磁同步电动机的常规数学模型

2.3交、直轴磁链与电感的研究

2.3.1计算方法

2.3.2计算结果

2.3.3结果分析

2.4磁路饱和对电磁转矩的影响

2.5考虑磁路饱和时交流永磁同步电动机的数学模型

2.6铁心损耗分析

2.6.1磁密分布

2.6.2计算方法

2.6.3计算结果分析

2.7考虑铁损时交流永磁同步电动机的数学模型

2.8本章小结

第3章交流永磁同步电动机齿槽力矩的分析与抑制

3.1引言

3.2理想齿槽力矩的理论分析

3.3定子缺陷对齿槽力矩的影响

3.4转子缺陷对齿槽力矩的影响

3.5非理想齿槽力矩的抑制

3.5.1磁钢优化法

3.5.2闭口槽法

3.5.3定子齿冠开槽法

3.6试验结果

3.7本章小结

第4章交流永磁同步伺服电动机的数字化矢量控制

4.1引言

4.2交流永磁伺服系统的结构

4.3快速空间矢量脉宽调制法

4.3.1经典空间矢量脉宽调制法

4.3.2快速空间矢量脉宽调制法

4.3.3等效性证明

4.4交流永磁同步电动机的矢量控制

4.4.1电感参数测量

4.4.2电流调节器设计

4.4.3速度调节器设计

4.5试验结果与性能分析

4.5.1空载时速度阶跃响应

4.5.2负载时速度阶跃响应

4.5.3速度指令改变时的电机性能

4.5.4负载扰动试验

4.5.5稳态时力矩—电流特性

4.6本章小结

第5章交流永磁同步电动机的自适应反步控制

5.1引言

5.2自适应反步控制的理论基础

5.3稳定性证明

5.4试验结果及性能分析

5.4.1磁链参数测量

5.4.2空载试验

5.4.3负载试验

5.4.4力矩扰动试验

5.4.5试验结果分析

5.5交流永磁同步电动机的动态表面控制

5.5.1公式推导

5.5.2试验结果与性能分析

5.6本章小结

第6章交流永磁同步电动机的不确定性参数的辨识

6.1引言

6.2基于等效控制的干扰估计器

6.3滑模估计器在交流永磁同步电动机中的应用

6.3.1公式推导

6.3.2试验结果分析

6.4基于最小二乘法的转动惯量辨识

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历