永磁同步电动机磁场定向控制的研究

摘要

永磁交流伺服系统作为电气传动领域的重要组成部分，在工业、农业、航空航天等领域发挥越来越重大的作用。永磁同步电动机以其显著特点广泛应用于中小功率传动场合，成为研究的重要领域。本文主要围绕如何提高永磁同步电动机的控制性能，借助自行开发的全数字永磁交流伺服系统控制平台，对永磁同步电动机的磁场定向控制进行深入分析，并就磁场定向下的有位置传感器控制方法以及无传感器控制进行了研究。进而提出一种高精度的混合控制方法，对前文方法本身存在的不足进行了弥补与改善，更进一步提高了系统控制精度。 详细分析了电机在静止三相，静止两相以及旋转两相坐标系下的数学模型，深入讨论了基于磁场定向的矢量控制与直接转矩控制的原理与实现方式，为后续的研究奠定了基础。对五种矢量控制形式进行了阐述，对其各自的特点、适用场合、特性曲线进行了对比与分析。对直接转矩下的负载角对性能的影响及其与电磁转矩的关系进行了分析。最后通过仿真与实验重点对比了两种磁场定向控制方法的动态与静态控制性能，对两者的异同点作出了结论。 对神经网络在矢量控制中的应用进行了探讨，将多用于机器人控制的CMAC神经网络引入矢量控制，与传统PID调节器共同构建复合控制器对速度进行调节，小脑模型神经网络控制器实现前馈控制，通过训练获得非线性被控对象的逆动态模型，常规PID控制实现闭环反馈控制，保证系统的稳定性且抑止扰动，采用改进的Albus算法提高网络学习和收敛的速度，通过与单纯PID控制效果的对比，该方法提高了系统的动、静态性能与鲁棒性。 提出一种空间矢量转矩控制方法，其本质是基于空间矢量PWM调制的直接转矩控制，利用直接转矩控制中检测与估算的信号根据定子电压计算模型进行推导，得出定子电压的两相运动坐标系分量并合成定子电压。充分借助SVPWM连续调节的优点，回避了传统直接转矩控制通过六个离散的基本空间矢量对定子磁链及电磁转矩实施控制而造成的转矩与电流脉动。设计了空间矢量转矩控制的结构，并进行了仿真与实验研究，结果证明了该方法的有效性。 现代交流传动系统对其伺服控制的低速性能及精度提出了越来越高的要求，低速性能作为衡量伺服系统性能的重要指标引起人们的重视。本文详细分析了定子电流、摩擦力、齿槽效应以及控制系统本身等几个主要因素对电机低速性能造成的影响，并针对这些因素提出了相应的解决办法，提出一种基于给定转速改变调节器结构及参数的控制方案，能够有效减小因定子电流扰动、齿槽效应以及摩擦力带来的转速波动，并针对算法实现环节对低速性能的影响进行了补偿，有效上述磁场定向下的控制方法均需依靠位置传感器进行，本文还对磁场定向下的无传感器控制问题进行了研究。对现有的一些无传感器控制方法作出归纳后，首先对无传感器控制中的电机转子初始位置检测问题进行了研究，分析了初始位置检测原理并提出一种基于渐变电压矢量注入的初始位置检测方法，仿真与实验研究证明了设计的有效性。重点对基于扩展卡尔曼滤波器的无位置传感器磁场定向控制方法进行了研究，分析了扩展卡尔曼滤波器的递推原理，首先在矢量控制中加以实现：并针对直接转矩控制的特点，设定不同的输入与输出量，利用同一种原理在不同控制方法下进行了新的尝试，由于卡尔曼滤波器不需要准确的初始值，所以解决了直接转矩控制对转子初始位置的要求，该方法实现了定子磁链和转子转速的估算，能够有效提高定子磁通观测的准确性，对电动机参数变化、负载扰动具有较强的鲁棒性。 为达到更高精度的控制性能，本文提出一种基于β角变换的混合控制方法。在矢量图中定义了β角并根据电磁转矩方程推导出最大电磁转矩对应的β值，以此为基础分析了i<,d>=0控制下电磁转矩、负载变化与β角的关系。设计了基于β角观测的混合控制方法，在不同情况下采取频率换向或位置换向的不同控制方式，并设计过渡控制消除两者切换造成的波动。推导了β角的稳定工作范围并研究了不同控制方式的切换条件。仿真与实验结果证明了设计的有效性。在此基础上，本文设计了基于混合控制的PMSM无传感器控制方法，充分考虑频率换向无需位置传感器的特点，使系统大部分时间运行在高精度的无传感器控制方式，仅在启动及负载突变时改用无传感控制模式下的位置换向方式，并将本文研究的基于卡尔曼滤波器的无传感器控制方法成功引入位置换向工作方式中，将混合控制良好的与无传感器控制融合起来。该方法在提高控制精度的基础上去除了位置传感器，并且降低了系统对非精确信号检测与计算的依赖，为永磁同步电动机的无传感器控制提出一种新的思路。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.1.1永磁同步电动机的发展

1.1.2交流传动技术的发展

1.1.3交流伺服系统的研究成果与发展方向

1.2永磁同步电动机控制系统

1.2.1交流伺服控制系统组成

1.2.2交流伺服系统的控制方式

1.2.3电动机的PWM调制技术

1.3本文主要研究内容

参考文献

第二章永磁同步电动机的磁场定向控制

2.1永磁同步电动机数学模型

2.2永磁同步电动机矢量控制方法

2.2.1矢量控制方法

2.2.2矢量控制下的空间矢量调制

2.3永磁同步电动机直接转矩控制方法

2.3.1直接转矩控制原理

2.3.2直接转矩控制的实现

2.4两种磁场定向控制的性能对比分析

2.5本章小结

参考文献

第三章磁场定向下的有位置传感器控制方法研究

3.1 CMAC神经网络在矢量控制中的应用

3.1.1 CMAC神经网络原理

3.1.2 CMAC复合控制系统设计

3.1.3 Albus算法及其改进

3.1.4系统仿真分析

3.2空间矢量转矩控制方法研究

3.2.1空间矢量转矩控制的定子电压计算模型推导

3.2.2空间矢量转矩控制的实现

3.3.3仿真与实验分析

3.3永磁同步电动机低速性能研究

3.3.1影响永磁同步电动机低速性能因素分析

3.3.2提高低速性能控制方法实现

3.3.3实验结果分析

3.4本章小结

参考文献

第四章磁场定向下的无传感器控制研究

4.1永磁同步电动机的无传感器控制方法

4.1.1基于电动机模型的估算方法

4.1.2模型参考自适应估算方法

4.1.3高频注入估算方法

4.1.4基于观测器的估算方法

4.1.5基于人工智能理论的估算方法

4.2电机转子初始位置检测研究

4.2.1初始位置检测原理

4.2.2基于渐变电压矢量注入的转子初始位置检测法

4.3基于扩展卡尔曼滤波器的无传感器控制研究

4.3.1扩展卡尔曼滤波递推算法分析

4.3.2矢量控制下的EKF无传感器控制

4.3.3直接转矩控制下的EKF无传感器控制

4.4本章小结

参考文献

第五章基于混合控制的永磁同步电动机高精度控制方法研究

5.1基于β角变换的永磁同步电动机混合控制方法

5.1.1 β角的定义与分析

5.1.2混合控制方法设计

5.1.3仿真与实验分析

5.2基于混合控制的永磁同步电动机无传感器控制

5.2.1无传感器下的混合控制运行方式

5.2.2控制切换过程

5.2.3仿真与实验分析

5.3本章小结

参考文献

第六章永磁同步电动机控制系统实现

6.1系统硬件组成

6.1.1主电路

6.1.2控制电路

6.1.3检测电路

6.1.4保护电路

6.1.5控制面板电路

6.2系统软件设计

6.2.1软件结构

6.2.2 DSP的混合编程

6.3本章小结

参考文献

第七章总结与展望

7.1本文主要结论与创新点

7.2后续工作展望

攻读博士学位期间发表的论文

致谢