基于损耗模型观测器的永磁同步电机效率优化控制

摘要

能源是当今的工业结构的基础，节能环保已经成为全球的主题。电机作为工业、生活中重要的能量转换装置，电机的节能控制毫无疑问成为当前电机控制的热点。永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor,PMSM)因具有单位质量与功率比高、转子温升小、转子结构轻、动态响应快、结构简单等优点，而被广泛应用于船舶、伺服、航天等领域。PMSM在运行过程中存在铜耗、铁耗和机械损耗等额外的功率损耗，降低其运行效率。本文针对PMSM的损耗模型，提出了一种基于损耗模型观测器的永磁同步电机效率优化控制算法。　　本文首先分析国内外PMSM效率优化控制算法的研究现状，并分析各种方法存在的优点和缺点。PMSM的矢量控制的原理也被详细介绍，为后文研究奠定基础。　　接着文章详细介绍两种应用最广泛的PMSM效率优化控制算法：最大转矩电流比控制法(Maximum Torque Per Ampere, MTPA)和损耗最小控制法(Loss Minimization Control, LMC)。在Simulink中搭建了两种效率优化控制算法的仿真系统，验证其有效性。同时比较了两种方法的优缺点，提出了一种结合两种方法优点的新型效率优化控制算法。在Simulink中搭建了新型PMSM效率优化控制算法的仿真系统，通过仿真试验结果证明该方法具有良好的动态性能，且能够有效的优化永磁同步电机的运行效率，对于较低的转矩，系统更接近MTPA方法，从而产生快速的驱动动力学响应，而对于较高的转矩，在总电功率损耗较高的情况下，系统类接近LMC控制，降低电机的损耗。　　最后针对PMSM损耗模型中参数变化对效率优化影响的问题，提出了基于损耗模型观测器的PMSM效率优化控制算法。同时分析死区效应对参数辨识的影响，并给出补偿方法。损耗模型观测器能够在线辨识当前的损耗模型参数，更新当前损耗模型的参数。该方法抑制了损耗模型参数变化对效率优化控制算法的影响，提高了效率优化控制算法的鲁棒性，提高PMSM控制系统的运行效率。在Simulink搭建了基于损耗模型观测器的效率优化控制算法仿真系统，通过仿真试验结果验证了方法的有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 永磁同步电机效率优化控制的研究背景和意义

1.2永磁同步电机效率优化控制国内外研究现状

1.2.1 最大转矩电流比

1.2.2 最小损耗控制

1.2.3 输入功率最小控制策略

1.3 本文的主要内容及安排

第2章 永磁同步电机的控制基础

2.1永磁同步电机基本结构种类和原理

2.2永磁同步电机数学模型

2.2.1 三相静止坐标下的电机模型

2.2.2 旋转坐标系下的电机模型

2.3 永磁同步电机的主要控制方法

2.3.1 永磁同步电机id=0矢量控制

2.3.2 PMSM弱磁控制

2.3.3 MTPA控制算法

2.3.4 LMC控制算法

2.4 本章小结

第3章 永磁同步电机合成损耗最小控制策略研究

3.1 概述

3.2永磁同步电机损耗及计算模型

3.2.1逆变器损耗分析

3.2.2 永磁同步电机损耗分析

3.3 永磁同步电机新型效率优化控制模型

3.4 新型效率优化控制的实现方案

3.5 新型PMSM 效率优化控制策略仿真

3.4 本章小结

第4章 损耗模型观测器的设计和仿真

4.1 参数变化对效率优化控制的影响

4.1.1 铜耗电阻变化对效率优化控制的影响

4.1.2 铁耗等效电阻变化对效率优化控制的影响

4.1.3 定子电感和转子磁链变化对效率优化控制的影响

4.2 逆变器死区效应对损耗模型观测器的影响

4.2.1 逆变器死区效应对参数辨识的影响

4.2.2死区误差电压补偿法

4.3 PMSM损耗模型观测器的设计

4.3.1 PMSM参数在线辨识方法介绍

4.3.2 铁耗等效电阻辨识

4.3.3 基于递推最小二乘拟合的多参数在线辨识

4.3.4 PMSM损耗模型观测器仿真结果

4.4 基于损耗模型观测器的效率优化控制系统仿真和结果分析

4.4.1 基于损耗模型观测器的PMSM效率优化控制系统仿真

4.4.2 系统动态性能仿真试验

4.4.3 死区效应补偿试验分析

4.4.4 系统效率优化效果仿真试验

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢