無速度傳感器永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)單位功率因數(shù)控制.pdf

1、永磁同步電機(jī)(PMSM)及系統(tǒng)因具有功率密度大、效率高、可控性好和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快等優(yōu)點而獲得廣泛的關(guān)注。永磁同步電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但作為一種應(yīng)用潛力巨大的技術(shù)，其在理論和實踐兩方面都還有很多值得研究的問題。
　　 永磁同步電機(jī)有矢量控制(FOC)和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)兩種基本的控制技術(shù)，從性能和效率等方面考量，又有id=0控制(ZDC)、單位功率因數(shù)控制(UPFC)、恒定子磁鏈控制(CSFL)、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制

2、(MTPAC)、最大功率控制和最優(yōu)效率控制等方法。一種控制方法的選擇需要結(jié)合該控制方法的特點綜合考慮系統(tǒng)指標(biāo)、成本和可實施性等多方面的因素。本文首先對矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了對比分析研究，并選擇控制平穩(wěn)、應(yīng)用較多的矢量控制作為本文的研究對象之一。單位功率因數(shù)控制方法能使永磁同步電機(jī)工作在功率因數(shù)接近1的狀態(tài)，可以減小控制器功率等級，降低成本，因此本文將研究基于矢量控制的永磁同步電機(jī)單位功率因數(shù)控制方法。永磁同步電機(jī)的運行控制需要實時

3、的轉(zhuǎn)子位置和速度，一般的解決辦法是在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝一個位置/速度傳感器，將位置/速度反饋至控制系統(tǒng)。為了降低驅(qū)動系統(tǒng)的成本、提高可靠性，無速度傳感器控制技術(shù)成為永磁同步電機(jī)控制研究的熱點?；Ｓ^測器具有結(jié)構(gòu)簡單、對參數(shù)和擾動不敏感等優(yōu)點。本文也將研究基于滑模觀測器的無速度傳感器的永磁同步電機(jī)控制。單位功率因數(shù)控制通過調(diào)節(jié)d軸定子電流分量控制驅(qū)動系統(tǒng)的功率因數(shù)，而滑模觀測器采用飽和函數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的符號函數(shù)，能夠簡單可靠地獲取轉(zhuǎn)子位置/速度信

4、息，本文研究的技術(shù)可以有效降低了系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)可靠性和效率。文章通過仿真和實驗驗證了這些技術(shù)方法的正確性和有效性。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下:
　　 首先，對永磁同步電機(jī)在三相靜止、兩相靜止和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)論述。建立了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方法的仿真模型，對兩種方法的操作原則和控制方案進(jìn)行了詳細(xì)的對比說明，并給出了在各種條件下的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，和直接轉(zhuǎn)矩控制相比矢量控制有較小的電流和轉(zhuǎn)矩波

5、動，控制平穩(wěn)，噪聲小。其缺點是控制比較復(fù)雜，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)不夠直接轉(zhuǎn)矩控制快。
　　 其次，本文建立了計及開關(guān)損耗的兩電平三相電壓源逆變器的仿真模型，并將其與理想的兩電平三相電壓源逆變器模型進(jìn)行了對比研究。具有理想開關(guān)特性的逆變器模型通常稱為理想逆變器模型，由于其模型簡單且能代表逆變器的主要特性因而在仿真研究中被廣泛地采用。然而，在實踐中電壓源逆變器的電力電子器件(功率二極管和IGBT)具有非線性的前向電壓和電流特性，導(dǎo)致電壓源逆

6、變器輸出電壓失真。由此，本文對電力電子器件的非線性問題進(jìn)行了建模分析，結(jié)果表明計及開關(guān)損耗的兩電平三相電壓源逆變器模型與實際模型接近。此外，論文還研究了電流源逆變器的模型，對其空間矢量PWM技術(shù)進(jìn)行介紹和研究，對電壓源逆變器和電流源逆變器的進(jìn)行了比較研究。
　　 然后，本文詳細(xì)討論和分析了永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的單位功率因數(shù)控制方法，對比分析和研究了永磁同步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)單位功率因數(shù)控制、恒定子磁鏈控制和id=0控制的優(yōu)劣，構(gòu)建了

7、他們的仿真模型。單位功率因數(shù)控制以永磁同步電機(jī)電壓和電流相位相等為約束條件，經(jīng)過變換得到電流id和iq;恒定子磁鏈控制以氣隙磁鏈恒定為約束目標(biāo);id=0控制則使定子電流時刻與iq軸同軸。仿真結(jié)果表明，單位功率因數(shù)控制方法具有良好的控制效果，可以實現(xiàn)功率因數(shù)為1，恒定子磁鏈控制可以實現(xiàn)近似的單位功率因數(shù)，id=0控制的功率因數(shù)最低。相對于基于模型參考自適應(yīng)(MRAS)、擴(kuò)展卡爾曼濾波器、模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等無位置/速度傳感器控制方法，滑模

8、觀測器(SMO)具有模型簡單、對參數(shù)變化和擾動不靈敏等優(yōu)點，因此本文將滑膜觀測器作為無位置/速度傳感器控制方法，研究其與單位功率因數(shù)控制結(jié)合下的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的性能，建立的仿真模型，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。
　　 最后，本文設(shè)計并構(gòu)建了基于以上控制方法的永磁同步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的實驗平臺，并對硬件電路、流程圖和算法進(jìn)行了設(shè)計。實驗平臺基于德州儀器的數(shù)字信號處理器TMS320F2808，在CCS軟件平臺開發(fā)了控制軟件，對永磁同步電

9、機(jī)及控制系統(tǒng)在各種工況下進(jìn)行了實驗研究，實驗結(jié)果基本驗證了以上章節(jié)的理論和仿真分析的正確性
　　 永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)由于其高效率和高功率密度等優(yōu)點，在工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)特別是控制理論的發(fā)展，永磁同步電機(jī)的控制方法也是日新月異、紛繁復(fù)雜。如何在眾多控制方法中選擇一種既能滿足系統(tǒng)要求，又能實現(xiàn)系統(tǒng)簡單、成本低等是一個難點。本文基于以上現(xiàn)狀，對永磁同步電機(jī)的控制進(jìn)行了有益的研究和探索，從仿真驗證了矢量控制和直