永磁同步电动机高性能转矩控制关键技术研究

摘要

永磁同步电动机(PMSM)由于结构简单，运行可靠，转矩惯量比高，损耗少，效率高，而广泛应用于工业领域，研究高性能永磁同步电机交流调速系统具有广阔的前景和重要的意义。本文围绕永磁同步电动机高性能转矩控制策略展开研究，深入讨论永磁同步电动机交流调速系统中减小磁链和转矩脉动、保持逆变器开关频率恒定、实现无传感器控制等方法，并进行了仿真分析和实验验证。本文研究内容如下：
　　一、传统直接转矩控制(DTC)中将整个定子磁链平面分为六个扇区，根据磁链和转矩要求及磁链位置选择合适的空间电压矢量，进而控制逆变器工作。但是仅有六个幅值固定的基本电压矢量可供选择，造成磁链和转矩控制准确度低，并且每个扇区内电压矢量对磁链的作用效果不对称，产生较大脉动;另外，磁链和转矩两个数字滞环比较器的使用也会带来磁链和转矩脉动大，逆变器开关频率不恒定的问题。
　　针对永磁同步电动机传统直接转矩控制中存在的可供选择的定子电压矢量少导致磁链和转矩脉动大的问题，提出了一种基于十二矢量的直接转矩控制。详细分析了传统直接转矩控制中定子电压矢量对磁链的作用效果，指出仅使用六个基本电压矢量不能满足系统的控制要求，在某些情况下还会发生电压矢量选择错误的现象。提出了一种增加电压矢量的方法，利用原有的六个电压矢量合成六个新电压矢量，新电压矢量与原电压矢量一起作为可供选择的空间电压矢量。该方法电压矢量选择更细致，而且新十二个矢量对定子磁链的作用效果相对平缓，有利于在砰——砰控制系统中实现对磁链和转矩的精确控制。仿真结果证明了这种方法能够有效地减小磁链和转矩脉动。
　　针对永磁同步电动机传统直接转矩控制中存在的扇区边界处电压矢量对定子磁链的作用效果不对称的问题，提出了一种基于十八区段的直接转矩控制。定子磁链的变化量与采样周期、该周期内作用的电压矢量幅值、电压矢量与磁链之间的夹角有关系，传统直接转矩控制中扇区边界处一个采样周期内磁链的增加量和减小量不对称。因此将传统DTC的一个扇区细分成三个小区段，实现了基于十八区段的直接转矩控制，有效的解决了扇区内磁链变化量不平衡的问题。仿真结果表明该方法减小了电机磁链和转矩脉动，磁链运行轨迹平滑。
　　针对永磁同步电动机传统直接转矩控制中逆变器开关频率不恒定、磁链转矩脉动大的问题，提出了基于空间电压矢量调制技术的直接转矩控制方法。用空间电压矢量调制模块代替了原有的滞环比较器和电压矢量选择表，保证逆变器开关频率恒定。根据磁链和转矩控制要求、定子磁链位置信息，利用空间电压矢量调制方法合成能够恰好补偿磁链和转矩误差的电压矢量，控制电机按给定状态运行。该方法显著的降低了磁链和转矩脉动，仿真结果证明了其准确性。
　　二、针对永磁同步电动机传统直接转矩控制中磁链积分器存在误差积累和积分饱和的问题，设计了一种扩展卡尔曼滤波(EKF)算法与PMSM电流模型相结合的定子磁链观测器。在两相静止坐标系中建立观测器模型，将电机电流和电压作为输入变量，电机转速和转子位置作为状态变量，并与电机的电流模型相结合，实时观测定子磁链、转速和转子位置。EKF算法可以有效地削弱随机干扰和量测噪声，有效减小磁链和转矩脉动的同时，增强了控制系统的鲁棒性。EKF模型中有三个需要确定的协方差矩阵，想要获得良好的设计结果比较困难。详细介绍了EKF协方差矩阵参数对系统响应时间和估计性能的影响，给出协方差矩阵参数选取规律。仿真和实验结果表明，该方法磁链和转速估计准确，系统脉动低，鲁棒性强，实现了无传感器运行。
　　三、设计了基于粒子滤波(PF)算法的永磁同步电动机定子磁链估计器。粒子滤波方法因适用于非线性、非高斯等卡尔曼滤波无法应用的估计问题而备受关注。探索研究粒子滤波在永磁同步电动机定子磁链估计中的应用，详细分析序贯粒子滤波算法原理，设计基于粒子滤波的PMSM直接转矩控制系统的定子磁链估计模型，通过计算机仿真验证其有效性，并与基于扩展卡尔曼滤波的DTC系统性能作比较，对两种算法的估计时间和系统性能进行了分析。
　　四、设计了基于降阶观测器的模型参考自适应转速辨识方法，实现了永磁同步电动机无传感器闭环控制系统。详细阐述模型参考自适应方法原理及波波夫超稳定性理论，用电机反电动势降阶模型和电压模型构成模型参数自适应系统，其中电压方程作为参考模型，电机降阶状态方程作为可调模型，用可调模型去逼近参考模型，从而得到转速及转子位置信息。仿真和实验结果表明该方法转速估计精度高，抗干扰能力强，无传感器控制系统性能好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 永磁同步电动机交流调速技术

1．3 永磁同步电动机定子磁链估计方法

1．4 永磁同步电动机无传感器控制发展现状

1．5 本文主要研究内容

第二章 永磁同步电动机直接转矩控制

2．1 永磁同步电动机概述

2．1．1 永磁材料的发展

2．1．2 永磁同步电动机种类和基本结构

2．2 永磁同步电动机的数学模型

2．2．1 常用坐标系及坐标变换

2．2．2 PMSM的数学模型

2．3 PMSM直接转矩控制理论

2．3．1 直接转矩控制特点

2．3．2 直接转矩控制仿真分析

2．3．3 与矢量控制相比较

2．4 传统直接转矩控制方法存在的问题

2．5 本章小结

第三章 直接转矩控制磁链脉动分析及其改善

3．1 传统直接转矩控制磁链／转矩脉动研究

3．1．1 数字滞环比较器分析

3．1．2 传统DTC磁链控制性能分析

3．2 基于十二矢量的直接转矩控制

3．2．1 十二个空间电压矢量的生成

3．2．2 十二矢量电压矢量选择表

3．2．3 磁链控制性能分析

3．2．4 基于十二矢量的直接转矩控制系统的实现

3．3 基于十八区段的直接转矩控制

3．3．1 十八区段电压矢量选择表

3．3．2 磁链控制性能分析

3．3．3 基于十八区段的直接转矩控制系统的实现

3．4 基于空间电压矢量调制的直接转矩控制

3．4．1 空间电压矢量调制原理

3．4．2 基于空间矢量调制的直接转矩控制系统的实现

3．5 仿真结果及分析

3．6 本章小结

第四章 EKF在PMSM直接转矩控制中的应用

4．1 扩展卡尔曼滤波原理与分析

4．1．1 非线性连续系统的线性化

4．1．2 线性连续系统的离散化

4．2 永磁同步电动机EKF观测器的设计

4．2．1 EKF观测器数学模型的建立

4．2．2 永磁同步电动机DTC-EKF系统

4．3 永磁同步电动机DTC-EKF仿真分析

4．3．1 各类负载条件下控制系统性能

4．3．2 定子电阻变化时控制系统鲁棒性分析

4．4 本章小节

第五章 基于粒子滤波的PMSM磁链观测器

5．1 贝叶斯滤波理论

5．1．1 贝叶斯公式

5．1．2 贝叶斯滤波原理

5．2 序贯粒子滤波

5．2．1 蒙特卡罗方法

5．2．2 序贯重要性采样SIS

5．2．3 重采样技术

5．2．4 粒子滤波算法步骤

5．2．5 粒子滤波的应用

5．3 永磁同步电动机PF定子磁链观测器的设计

5．4 永磁同步电动机DTC-PF仿真分析

5．5 本章小节

第六章 基于降阶观测器的永磁同步电动机无传感器运行

6．1 模型参考自适应理论

6．1．1 模型参考自适应的基本结构

6．1．2 波波夫超稳定性理论

6．2 永磁同步电动机降阶观测器的设计

6．2．1 降阶观测器数学模型的建立

6．2．2 永磁同步电动机DTC-MRAS系统

6．3 永磁同步电动机DTC-MRAS仿真分析

6．4 本章小节

第七章 PMSM调速系统实验研究

7．1 系统实验平台设计

7．2 系统的硬件电路

7．2．1 主电路设计

7．2．2 信号检测电路设计

7．2．3 信号处理控制电路

7．2．4 隔离驱动电路设计

7．3 PMSM直接转矩控制及无传感器控制实验

7．4 本章小结

第八章 全文总结与展望

参考文献

致谢

发表论文和科研情况

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