PMSM直接转矩控制方法及实验研究

摘要

永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、功率密度大和效率高等优点,随着电力电子技术及现代控制理论的迅速发展,永磁同步电机得到了广泛地应用。PMSM直接转矩控制(DTC)动态性能好,系统鲁棒性强,已成为学术界研究热点。本文在PMSM传统DTC理论基础上,深入研究PMSM DTC速度环控制方法、定子磁链估计以及无传感器运行转速估计方法,并进行相应地仿真分析和实验研究。
　　 本文的主要内容和创新点:
　　 1.设计了基于自抗扰控制(ADRC)PMSM DTC速度调节器。ADRC采用非线性控制方法,由跟踪-微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈(NLSEF)和扰动补偿四部分组成,具有实时估计系统所受扰动并进行补偿的能力。为了抑制负载及摩擦力矩变化等外部扰动,以及电机参数变化等内部扰动对PMSM伺服系统产生的影响,将以上参数的变化视为系统所受扰动,利用 TD对给定转速信号提取合适的过渡过程；根据实际转速信号利用ESO实时估计系统状态及系统所受扰动量；利用 NLSEF得到电磁转矩初始控制量,在此基础上,将扰动估计值进行实时前馈补偿,得到电磁转矩最终控制量,提高系统对电磁转矩的控制能力。仿真和实验结果表明,从低速到高速运行范围内,该方案均有效地削弱了系统运行中所受扰动影响,抗干扰能力得到了较大程度地提高。
　　 2.设计了基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)PMSM定子磁链和转速估计方法。传统DTC系统一般采用电压积分法计算定子磁链,由于积分器存在误差累积和积分饱和等问题,定子磁链估计常常不准确;此外,机械速度传感器的使用带来电机体积增大、维护不便等问题。本文设计的磁链和转速估计观测器建立在两相静止坐标系下,将PMSM电压和电流作为EKF观测器的输入信号,以定子磁链、转速作为EKF观测器状态变量,能够同时进行磁链和转速估计。算法采用估计误差均方差最小原则,因而避免了传统方法的缺陷。仿真和实验结果表明,该方法有效地降低了磁链和转矩脉动,提高了PMSM DTC系统稳态运行性能,转速估计准确,实现了无传感器运行,同时保持了DTC固有的动态响应快的优点。
　　 3.研究了基于EKF永磁同步电机SVM直接转矩控制。传统DTC采用滞环比较器和开关电压矢量选择表,是产生磁链和转矩脉动的主要原因之一,同时导致逆变器开关频率不恒定。本文第五章分析电压空间矢量调制技术(SVM)两种实现方法,指出两种实现方法的区别,分析表明基于SVM第二种实现方法逆变器开关损耗更小。将EKF磁链和转速观测器与SVM DTC有效结合,取代传统DTC滞环比较器和开关电压矢量选择表,保证逆变器开关频率恒定,进一步减小磁链和转矩脉动。通过仿真和实验对该方法进行了验证。