基于PI型迭代学习控制的永磁同步电机转矩脉动抑制策略

摘要

永磁同步电机具有功率密度高、可控性好和结构简单等优点，在工业生产中得到广泛应用。但空间磁场分布非正弦、齿槽效应和电流检测误差等因素引发的转矩脉动问题严重影响了调速系统的控制精度，限制了永磁同步电机在高性能直驱系统的应用，比如电梯轿厢曳引机控制系统和电动汽车动力系统。本文从机电能量转换的基本理论出发，得出了交流电机电磁转矩的一般表达式，并在此基础上分析了谐波转矩脉动与定子电流及空间磁场非正弦分布之间的关系。同时在综合分析谐波转矩脉动和齿槽转矩基础上对转矩脉动进行数学建模，得出其在dq坐标系下的表达式，为抑制永磁同步电机转矩脉动提供理论基础。
　　 针对转矩脉动为周期性外部扰动的特点，本文采用PI型迭代学习控制算法构建控制系统转速环控制器，取代传统的P型迭代学习控制与PI控制结合的转矩脉动抑制方式。相比于现有迭代学习补偿策略，新型控制器无需转矩估算和闭环控制，提高了转速环控制器的带宽，利于简化系统结构，减少成本。该策略通过记忆机制积累控制经验，实现对下一周期控制信号的调整，产生适当的q轴电流参考信号，达到抑制转矩脉动的目的。
　　 通过对比P型与PI型两种迭代学习控制对转矩脉动的抑制效果，得出了两种算法对周期性外部扰动抑制能力的分析结论，并证明了PI型迭代学习控制器的稳定性，确定了PI型迭代学习算法的收敛条件。在控制系统稳定和迭代学习算法收敛前提下，讨论了参数设计对系统性能的影响。
　　 以传统矢量控制系统为基础，设计了基于PI型迭代学习控制算法的永磁同步电机调速系统。采用d轴电流为零控制时，由于q轴电流的波形能够有效反映电机转矩的信息，因此着重对永磁同步电机q轴电流响应进行实验研究，通过实验实现不同工况下PI型迭代学习控制器与PI控制器的对比实验研究，以及对不同参数取值下的PI型迭代学习控制器的性能分析，验证了本文所述方法的可行性和有效性。