【摘要】：永磁同步電動機(jī)(PMSM)由于結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行可靠,轉(zhuǎn)矩慣量比高,損耗少,效率高,而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,研究高性能永磁同步電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)具有廣闊的前景和重要的意義。本文圍繞永磁同步電動機(jī)高性能轉(zhuǎn)矩控制策略展開研究,深入討論永磁同步電動機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)中減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動、保持逆變器開關(guān)頻率恒定、實現(xiàn)無傳感器控制等方法,并進(jìn)行了仿真分析和實驗驗證。本文研究內(nèi)容如下：一、傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)中將整個定子磁鏈平面分為六個扇區(qū),根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩要求及磁鏈位置選擇合適的空間電壓矢量,進(jìn)而控制逆變器工作。但是僅有六個幅值固定的基本電壓矢量可供選擇,造成磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制準(zhǔn)確度低,并且每個扇區(qū)內(nèi)電壓矢量對磁鏈的作用效果不對稱,產(chǎn)生較大脈動；另外,磁鏈和轉(zhuǎn)矩兩個數(shù)字滯環(huán)比較器的使用也會帶來磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動大,逆變器開關(guān)頻率不恒定的問題。針對永磁同步電動機(jī)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中存在的可供選擇的定子電壓矢量少導(dǎo)致磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動大的問題,提出了一種基于十二矢量的直接轉(zhuǎn)矩控制。詳細(xì)分析了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中定子電壓矢量對磁鏈的作用效果,指出僅使用六個基本電壓矢量不能滿足系統(tǒng)的控制要求,在某些情況下還會發(fā)生電壓矢量選擇錯誤的現(xiàn)象。提出了一種增加電壓矢量的方法,利用原有的六個電壓矢量合成六個新電壓矢量,新電壓矢量與原電壓矢量一起作為可供選擇的空間電壓矢量。該方法電壓矢量選擇更細(xì)致,而且新十二個矢量對定子磁鏈的作用效果相對平緩,有利于在砰--砰控制系統(tǒng)中實現(xiàn)對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的精確控制。仿真結(jié)果證明了這種方法能夠有效地減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動。針對永磁同步電動機(jī)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中存在的扇區(qū)邊界處電壓矢量對定子磁鏈的作用效果不對稱的問題,提出了一種基于十八區(qū)段的直接轉(zhuǎn)矩控制。定子磁鏈的變化量與采樣周期、該周期內(nèi)作用的電壓矢量幅值、電壓矢量與磁鏈之間的夾角有關(guān)系,傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中扇區(qū)邊界處一個采樣周期內(nèi)磁鏈的增加量和減小量不對稱。因此將傳統(tǒng)DTC的一個扇區(qū)細(xì)分成三個小區(qū)段,實現(xiàn)了基于十八區(qū)段的直接轉(zhuǎn)矩控制,有效的解決了扇區(qū)內(nèi)磁鏈變化量不平衡的問題。仿真結(jié)果表明該方法減小了電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動,磁鏈運(yùn)行軌跡平滑。針對永磁同步電動機(jī)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中逆變器開關(guān)頻率不恒定、磁鏈轉(zhuǎn)矩脈動大的問題,提出了基于空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。用空間電壓矢量調(diào)制模塊代替了原有的滯環(huán)比較器和電壓矢量選擇表,保證逆變器開關(guān)頻率恒定。根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制要求、定子磁鏈位置信息,利用空間電壓矢量調(diào)制方法合成能夠恰好補(bǔ)償磁鏈和轉(zhuǎn)矩誤差的電壓矢量,控制電機(jī)按給定狀態(tài)運(yùn)行。該方法顯著的降低了磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動,仿真結(jié)果證明了其準(zhǔn)確性。二、針對永磁同步電動機(jī)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中磁鏈積分器存在誤差積累和積分飽和的問題,設(shè)計了一種擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)算法與PMSM電流模型相結(jié)合的定子磁鏈觀測器。在兩相靜止坐標(biāo)系中建立觀測器模型,將電機(jī)電流和電壓作為輸入變量,電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置作為狀態(tài)變量,并與電機(jī)的電流模型相結(jié)合,實時觀測定子磁鏈、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。EKF算法可以有效地削弱隨機(jī)干擾和量測噪聲,有效減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動的同時,增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的魯棒性。EKF模型中有三個需要確定的協(xié)方差矩陣,想要獲得良好的設(shè)計結(jié)果比較困難。詳細(xì)介紹了EKF協(xié)方差矩陣參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)時間和估計性能的影響,給出協(xié)方差矩陣參數(shù)選取規(guī)律。仿真和實驗結(jié)果表明,該方法磁鏈和轉(zhuǎn)速估計準(zhǔn)確,系統(tǒng)脈動低,魯棒性強(qiáng),實現(xiàn)了無傳感器運(yùn)行。三、設(shè)計了基于粒子濾波(PF)算法的永磁同步電動機(jī)定子磁鏈估計器。粒子濾波方法因適用于非線性、非高斯等卡爾曼濾波無法應(yīng)用的估計問題而備受關(guān)注。探索研究粒子濾波在永磁同步電動機(jī)定子磁鏈估計中的應(yīng)用,詳細(xì)分析序貫粒子濾波算法原理,設(shè)計基于粒子濾波的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的定子磁鏈估計模型,通過計算機(jī)仿真驗證其有效性,并與基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的DTC系統(tǒng)性能作比較,對兩種算法的估計時!間和系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析。四、設(shè)計了基于降階觀測器的模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速辨識方法,實現(xiàn)了永磁同步電動機(jī)無傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)。詳細(xì)闡述模型參考自適應(yīng)方法原理及波波夫超穩(wěn)定性理論,用電機(jī)反電動勢降階模型和電壓模型構(gòu)成模型參數(shù)自適應(yīng)系統(tǒng),其中電壓方程作為參考模型,電機(jī)降階狀態(tài)方程作為可調(diào)模型,用可調(diào)模型去逼近參考模型,從而得到轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置信息。仿真和實驗結(jié)果表明該方法轉(zhuǎn)速估計精度高,抗干擾能力強(qiáng),無傳感器控制系統(tǒng)性能好。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM341

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本文編號：2263740