本文關(guān)鍵詞：高性能永磁同步電機(jī)控制方法的研究　出處：《湖南大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：永磁同步電機(jī)以其效率高，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在許多工業(yè)領(lǐng)域。近幾年，隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)制造技術(shù)及現(xiàn)代電機(jī)控制理論的迅猛發(fā)展，永磁電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制器等硬件技術(shù)逐步成熟，而以軟形式存在于控制芯片中的各類先進(jìn)控制技術(shù)卻成為制約永磁電機(jī)發(fā)展及應(yīng)用的瓶頸。因此，研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能電機(jī)控制技術(shù)，尤其是最具應(yīng)用前景的永磁電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)是目前運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在此背景下，本文以提高永磁同步電機(jī)控制性能為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)常規(guī)負(fù)載和特殊負(fù)載（壓縮機(jī)）下永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行了深入研究，針對(duì)傳統(tǒng)控制方法所存在的不足，提出了新的控制方法，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些控制方法的有效性和實(shí)用性。 本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性的成果如下： (1)利用空間矢量及坐標(biāo)變換建立了永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，然后在此模型基礎(chǔ)上對(duì)矢量控制中的最大轉(zhuǎn)矩/電流控制方法進(jìn)行了研究。針對(duì)傳統(tǒng)查表法在控制精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度間的矛盾，本文提出了一種新型的基于曲線擬合的最大轉(zhuǎn)矩/電流控制方法。首先根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩/電流控制基本理論建立了永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電流分量的約束關(guān)系，并將迭代法用于求取相應(yīng)的電流最優(yōu)解，然后把所得的解通過數(shù)值分析方法得到了電磁轉(zhuǎn)矩與電流分量的曲線關(guān)系。根據(jù)曲線特點(diǎn)，綜合考慮控制精度、運(yùn)算復(fù)雜度以及DSP實(shí)現(xiàn)的難易程度，將該曲線分成三段進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，并且每個(gè)擬合函數(shù)的最高次數(shù)為2，用擬合所得的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式替代傳統(tǒng)的查表法中大量的離散數(shù)據(jù)，簡化了控制算法。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新的控制方法能夠提高系統(tǒng)的性能。 (2)通過對(duì)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制研究，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)控制算法中存在的不足。為此本文提出了一種基于模型參考自適應(yīng)的直接轉(zhuǎn)矩控制算法。針對(duì)系統(tǒng)成本高、穩(wěn)定性低，本文將控制理論中的模型參考自適應(yīng)算法運(yùn)用于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速識(shí)別，從而省去了位置編碼器，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性而且節(jié)約了成本。針對(duì)傳統(tǒng)電壓積分法對(duì)定子磁鏈進(jìn)行估算誤差大的缺陷，在新的控制算法中采用了轉(zhuǎn)子位置和定子電流估計(jì)定子磁鏈的方法，該方法受速度的影響小，提高了估算的準(zhǔn)確度。針對(duì)逆變器開關(guān)頻率不恒定的缺陷，用雙PI控制器替代傳統(tǒng)算法中的雙滯環(huán)控制器，并且運(yùn)用電壓空間矢量調(diào)制方法得到了固定的開關(guān)頻率，提高了開關(guān)器件的使用壽命和電壓利用率。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新的控制算法能夠有效地提高永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的性能。 (3)由變頻器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，是一種理想的調(diào)速方案，然而變頻器產(chǎn)生共模電壓影響了永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能。本文以常用的電壓源型PWM變流器為研究對(duì)象，從共模電壓的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，得到了共模電壓是由一系列特定頻率的諧波組成，針對(duì)這一特性，提出了一種基于準(zhǔn)揩振控制器的共模電壓的抑制方法。根據(jù)諧振控制器在諧振頻率處增益無窮大，可以使與其諧振頻率具有相同頻率的正弦信號(hào)實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的PI控制的基礎(chǔ)上并聯(lián)一個(gè)準(zhǔn)諧振控制器，并調(diào)整其諧振頻率與共模電壓高幅值部分的頻率相匹配，對(duì)共模電壓中高幅值部分進(jìn)行重點(diǎn)補(bǔ)償，從而達(dá)到對(duì)輸出模電壓的抑制。通過仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了該控制方法的正確性和有效性。 (4)隨著永磁同步電機(jī)在壓縮制冷系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，如何抑制其低速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)成為了研究的重點(diǎn)。為了改善永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮制冷系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速特性，本文提出了一種基于滑模觀測(cè)器的比例諧振控制策略。當(dāng)壓縮機(jī)處于穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，，在傳統(tǒng)的PI控制器上并聯(lián)一個(gè)可變頻率諧振控制器，構(gòu)成自適應(yīng)比例諧振控制器，從而使得參考轉(zhuǎn)矩電流是由PI控制器產(chǎn)生的主要參考電流與諧振控制器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流一起構(gòu)成的。由于補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩電流的作用，使得電磁轉(zhuǎn)矩能夠更好地跟蹤負(fù)載轉(zhuǎn)矩，以此達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)的抑制。當(dāng)壓縮機(jī)處于變工況運(yùn)行時(shí)，為了減小負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)抗擾動(dòng)性能，使用滑模觀測(cè)器對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行觀測(cè)，并將觀測(cè)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行前饋補(bǔ)償，以克服轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)變化時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速控制特性的影響。通過仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了該控制方法的正確性和有效性。 論文的所有研究工作在仿真研究的基礎(chǔ)上均進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了論文的統(tǒng)一性，在本文第二中對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及裝置進(jìn)行了全面介紹。其中第三、四、五章所提出的控制策略均在2.5kW永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第六章對(duì)永磁同步電機(jī)在壓縮系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行了研究，根據(jù)項(xiàng)目需要針對(duì)特定的壓縮機(jī)負(fù)載設(shè)計(jì)了7kW永磁同步電機(jī)，并且搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果共同證明所提出的控制方法的正確性和有效性。
[Abstract]:Permanent magnet synchronous motor is widely used in many industrial fields with the advantages of high efficiency , small volume , light weight and so on . In recent years , with the rapid development of electric power electronics , motor manufacturing technology and modern motor control theory , various advanced control technologies such as permanent magnet motor and drive controller have become the bottleneck in the field of motion control . The main research contents and innovative results are as follows : ( 1 ) The mathematical model of the permanent magnet synchronous motor in synchronous rotating coordinate system is established by using space vector and coordinate transformation . The maximum torque / current control method based on curve fitting is established on the basis of this model . This paper presents a direct torque control algorithm based on model reference adaptive algorithm , which can improve the reliability of the system and save the cost . ( 3 ) It is an ideal speed control scheme to drive a permanent magnet synchronous motor by a frequency converter , but the common mode voltage produced by the frequency converter affects the performance of the speed regulation system of the permanent magnet synchronous motor . ( 4 ) With the wide application of the permanent magnet synchronous motor in the compression refrigeration system , how to suppress the speed fluctuation in the low speed range has become the focus of the research . In order to improve the rotating speed characteristic of the permanent magnet synchronous motor in the low speed operation , a variable frequency resonance controller is connected in parallel on the traditional PI controller . In the second part of this paper , the experimental verification is carried out on the basis of the simulation research . The experimental platform and the device are introduced in the second part of this paper . The control strategy proposed by the third , fourth and fifth chapters is verified by experiments on the experimental platform of 2.5kW permanent magnet synchronous motor . The sixth chapter designs 7kW permanent magnet synchronous motor for the specific compressor load according to the project , and the experimental platform is set up . The simulation and experimental results prove the correctness and effectiveness of the proposed control method .

【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM341

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1414474