【摘要】：永磁同步電機由于具有高效率、高轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各種要求高性能伺服控制的場合，比如數(shù)控機床、機器人控制等。這些高性能驅(qū)動場合對電機的輸出轉(zhuǎn)矩平滑度要求都很高。然而由于電機結(jié)構(gòu)設(shè)計的非理想和逆變器的非線性特性，永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩存在較大的脈動，從而限制了永磁同步電機在高精度場合的應(yīng)用。所以研究永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略，增加轉(zhuǎn)矩平滑度，具有重大的工程意義。 在不對電機本體設(shè)計進行優(yōu)化的前提下，主要研究采用諧波電流注入法抑制表貼式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的控制策略。在分析永磁同步電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，建立了永磁同步電機的基波數(shù)學(xué)模型。為了研究功率逆變器的非線性特性對電機轉(zhuǎn)矩輸出的影響，推導(dǎo)出了逆變器輸出誤差電壓的傅里葉方程。針對永磁同步電機轉(zhuǎn)子永磁磁鏈的畸變特點，對永磁同步電機在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的諧波數(shù)學(xué)模型進行了研究，獲得了諧波轉(zhuǎn)矩的表達式。結(jié)合永磁同步電機齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機理，建立了齒槽轉(zhuǎn)矩與電機本體參數(shù)的關(guān)系模型。 基于諧波電流注入法的轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略是通過注入諧波電流，，實現(xiàn)對永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的抑制。為了獲得諧波參考電流指令，根據(jù)諧波轉(zhuǎn)矩方程和對永磁體磁鏈的諧波分析，提出了計算q軸諧波電流指令的方法。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下加入諧波電流閉環(huán)控制，使實際電流跟蹤電流指令，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩抵消電機的轉(zhuǎn)矩脈動。在計算出交軸指令電流的基礎(chǔ)上，提出了采用同步旋轉(zhuǎn)PI控制器和比例諧振控制器的諧波電流注入策略，抑制電機的轉(zhuǎn)矩脈動。針對電流環(huán)控制帶寬有限的問題，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，提出用旋轉(zhuǎn)PI控制器法實現(xiàn)對5次和7次諧波電流的提取和控制。為了減小控制系統(tǒng)的計算量，通過傳統(tǒng)的PI控制器和比例諧振控制器的并聯(lián)控制，使實際電流跟蹤指令電流，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩諧波的抑制。 在MATLAB/Simulink和SimplorerMaxwell下分別建立永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，對轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略進行仿真分析。針對電機磁路非線性的問題，提出了有限元迭代計算的優(yōu)化策略，仿真結(jié)果驗證了算法的有效性。在仿真分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于DSP的永磁同步電機硬件實驗平臺，并在硬件平臺上進行轉(zhuǎn)矩脈動抑制算法的實驗驗證。對比實驗結(jié)果證明了兩種諧波抑制策略都可以對永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動進行有效抑制，從而驗證了算法的可行性。
[Abstract]:Permanent magnet synchronous motor (PMSM) has been widely used in various situations requiring high performance servo control, such as CNC machine tool, robot control and so on because of its high efficiency and high torque density. In these high performance driving situations, the output torque smoothness of the motor is very high. However, due to the non-ideal design of the motor structure and the nonlinear characteristics of the inverter, the torque of the permanent magnet synchronous motor has a large pulsation, which limits the application of the permanent magnet synchronous motor in high-precision situations. Therefore, it is of great engineering significance to study the torque ripple suppression strategy and increase the torque smoothness of PMSM. On the premise of not optimizing the design of motor body, the control strategy of restraining torque ripple of permanent magnet synchronous motor (PMSM) using harmonic current injection method is studied. On the basis of analyzing the system structure and working principle of permanent magnet synchronous motor (PMSM), the fundamental wave mathematical model of PMSM is established. In order to study the influence of the nonlinear characteristics of power inverter on the torque output of the motor, the Fourier equation of the output error voltage of the inverter is derived. According to the distortion characteristics of permanent magnet flux in permanent magnet synchronous motor rotor, the harmonic mathematical model of permanent magnet synchronous motor in rotating coordinate system is studied, and the expression of harmonic torque is obtained. Based on the generation mechanism of gear slot torque of permanent magnet synchronous motor (PMSM), the relationship model between tooth slot torque and motor body parameters is established. Torque ripple suppression strategy based on harmonic current injection is to suppress torque ripple of PMSM by injecting harmonic current. In order to obtain the harmonic reference current instruction, a method for calculating the Q axis harmonic current command is proposed according to the harmonic torque equation and the harmonic analysis of the flux chain of the permanent magnet. In the synchronous rotating coordinate system, the harmonic current closed-loop control is added to make the actual current track the current instruction, and the electromagnetic torque cancels the torque ripple of the motor. Based on the calculation of the alternating axis instruction current, a harmonic current injection strategy based on synchronous rotation Pi controller and proportional resonance controller is proposed to suppress the torque ripple of the motor. In order to solve the problem of limited current loop control bandwidth, a rotating Pi controller method is proposed to extract and control the fifth and seventh harmonic currents in the rotating coordinate system. In order to reduce the computational complexity of the control system, the actual current tracking instruction current is realized by parallel control of the traditional Pi controller and the proportional resonance controller, and the torque harmonic suppression is realized. The simulation model of PMSM control system is established under MATLAB/Simulink and SimplorerMaxwell, and the torque ripple suppression strategy is simulated and analyzed. In order to solve the nonlinear problem of motor magnetic circuit, the optimization strategy of finite element iterative calculation is proposed, and the simulation results verify the effectiveness of the algorithm. On the basis of simulation and analysis, the hardware experiment platform of permanent magnet synchronous motor based on DSP is designed, and the torque ripple suppression algorithm is verified by experiment on the hardware platform. The experimental results show that both harmonic suppression strategies can effectively suppress the torque ripple of PMSM, which verifies the feasibility of the algorithm.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM341

【共引文獻】

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本文編號：2167545