永磁同步電機工程伺服系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、永磁同步電機具有轉(zhuǎn)矩脈動小、轉(zhuǎn)矩/慣量比大、效率高等優(yōu)點，在現(xiàn)代交流電機中占有舉足輕重的地位。近年來隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、電機技術(shù)等的發(fā)展，永磁同步電機伺服系統(tǒng)正朝著大功率工程化方向發(fā)展，本文稱這類大功率工程應(yīng)用的伺服系統(tǒng)為永磁同步電機工程伺服系統(tǒng)，它有一些特殊的關(guān)鍵技術(shù)，如重載驅(qū)動、大功率、抗擾動、無傳感器等。本文針對其中的三個關(guān)鍵技術(shù)：重載驅(qū)動技術(shù)、抗擾動自適應(yīng)控制技術(shù)和無位置傳感器控制技術(shù)進行了一些研究和探索。
　　

2、 重載驅(qū)動技術(shù)是提高傳統(tǒng)機械壓力機柔性化水平的核心技術(shù)，本文以曲柄伺服壓力機為對象展開永磁同步電機工程伺服系統(tǒng)的重載驅(qū)動技術(shù)研究。首先介紹了曲柄伺服壓力機樣機和重載伺服驅(qū)動系統(tǒng)各自的設(shè)計方案，以永磁同步電機和電容儲能裝置的組合(本文稱之為重載系統(tǒng))取代傳統(tǒng)機械壓力機的異步電機和機械飛輪-離合器組合。在此基礎(chǔ)上，對壓力機的負(fù)載特性作了分析，為使設(shè)計的永磁同步電機工程伺服系統(tǒng)夠滿足壓力機重載驅(qū)動的動力要求，對重載系統(tǒng)的若干關(guān)鍵參數(shù)進行了理論

3、分析，并提出了參數(shù)近似計算的方法及解析公式。為節(jié)約開發(fā)成本及周期，對尚未建立起來的系統(tǒng)進行方案及可行性分析，基于C++Builder和Matlab開發(fā)了曲柄伺服壓力機機電一體化的仿真軟件。以一臺80噸的曲柄壓力機為應(yīng)用對象，對電容儲能參數(shù)與電機運行速度之間的規(guī)律進行了探索，提出了適合伺服壓力機局部可控運行的電容儲能參數(shù)設(shè)計方案?；谠摲桨?，分析伺服電機的恒速驅(qū)動模式，提出了電容組儲能參數(shù)選取的設(shè)計方法及一組較合理的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，為實

4、現(xiàn)壓力機的變速驅(qū)動和多適應(yīng)能力，重點對伺服驅(qū)動器的控制參數(shù)和壓力機的出力能力作了詳細(xì)分析，并給出了重要結(jié)論。本文設(shè)計該驅(qū)動系統(tǒng)硬件裝置(試驗平臺1)進行了仿真和試驗驗證。結(jié)果證明，本文提出的參數(shù)解析公式和設(shè)計方案是合理的，開發(fā)的仿真軟件是正確的，基于伺服電機恒速和變速驅(qū)動仿真分析所得的結(jié)論也是準(zhǔn)確的。據(jù)此研制的電容儲能硬件裝置作為壓力機沖壓加工的一套蓄能裝置，不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)機械壓力機機械飛輪的助力功能，而且減緩了沖壓過程峰值電流對電網(wǎng)的

5、沖擊?；谠撔钅苎b置的永磁同步電機工程伺服系統(tǒng)能夠滿足壓力機重載驅(qū)動的動力和控制要求，這為進一步實現(xiàn)重載系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化和提高機械壓力機的柔性化水平奠定了基礎(chǔ)。
　　 永磁同步電機工程伺服系統(tǒng)由于功率大、負(fù)荷重、工作現(xiàn)場條件惡劣，其性能常會受到負(fù)載特征參數(shù)變化(視為擾動)的影響。本文以抑制負(fù)載力矩和慣量擾動為目標(biāo)，基于為抑制某種擾動而采用先辨識該擾動再進行補償或自整定的思想，提出了一種具有抗擾動功能的自適應(yīng)控制方法。其中基礎(chǔ)性問題

6、是擾動的有效“觀測”，針對時變慣量，設(shè)計了基于朗道和梯度思想的兩種辨識方法，針對時變負(fù)荷，提出了一種簡單的降維負(fù)載觀測器對負(fù)載力矩作辨識。構(gòu)造了各自算法的仿真模型，并設(shè)計了交流電機控制平臺(試驗平臺2)，以一臺面貼式永磁同步電機為對象作仿真和試驗研究，結(jié)果驗證了各自算法的正確性，朗道算法的收斂時間優(yōu)于梯度算法，梯度算法的辨識精度高于朗道算法；負(fù)載力矩觀測器能夠有效的辨識出負(fù)載力矩的大小，且動態(tài)響應(yīng)性能較好。本文提出的自適應(yīng)控制方法采用朗

7、道算法作慣量的辨識，并用辨識得到的結(jié)果去調(diào)整控制器參數(shù)；同時將負(fù)載觀測器辨識得到的結(jié)果前饋補償?shù)浇惠S電流側(cè)。由仿真和實驗結(jié)果知，基于朗道算法的參數(shù)自整定方法能夠在慣量變化時作控制器參數(shù)的自調(diào)整，相比無參數(shù)自整定的系統(tǒng)，速度響應(yīng)性能得到提升。用辨識得到的負(fù)載力矩值對變載引起的速度擾動作補償，同樣改善了速度響應(yīng)性能。因此，本文提出的自適應(yīng)控制方法對慣量和負(fù)載力矩擾動都具有抑制作用，能夠應(yīng)用在一些時變負(fù)荷、慢變慣量的驅(qū)動場合。
　　

8、在環(huán)境條件比較惡劣的工作場合，為解決物理傳感器存在而引起永磁同步電機工程伺服系統(tǒng)在應(yīng)用時出現(xiàn)的局限性問題，本文首先對永磁同步電機無位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)--轉(zhuǎn)子位置的估算展開研究。研究了適合中高速場合運行的估算方法--滑模觀測器，目的是擴展其低速運行領(lǐng)域。鑒于目前所查資料中，針對基于傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型滑模觀測器作改進的一些方法中存在的問題，本文提出了一種新的基于數(shù)學(xué)模型改進的滑模觀測器算法，它將估算反電勢負(fù)反饋引入到傳統(tǒng)定子電流觀測器的數(shù)學(xué)

9、模型中，通過選擇合適的反饋值可以提高低速時轉(zhuǎn)子位置的估算精度和中高速時系統(tǒng)的穩(wěn)定性；文中構(gòu)造了系統(tǒng)的仿真模型，以一臺面貼式永磁同步電機為對象，基于試驗平臺2進行了分析。實驗結(jié)果顯示，傳統(tǒng)滑模觀測器能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子位置估算的最低速度為50r/min，而同樣條件下數(shù)學(xué)模型改進型滑模觀測器的低速可以擴展到8r/min；中高速運行時估算精度及穩(wěn)定性較好，且該算法對負(fù)載變化具有很強的魯棒性。研究了適合零速場合運行的估算方法--電壓脈沖矢量法，詳細(xì)的分

10、析了其檢測原理及實施策略，并設(shè)計了控制器(試驗平臺3)作測試，結(jié)果驗證了算法的有效性。
　　 其次，在前面對基于數(shù)學(xué)模型改進型滑模觀測器的轉(zhuǎn)子位置估算理論作驗證的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)永磁同步電機工程伺服系統(tǒng)的無位置傳感器閉環(huán)矢量控制，本文提出了電機在寬轉(zhuǎn)速范圍運行時轉(zhuǎn)子位置信息估算的自適應(yīng)控制方法--反電勢反饋增益系數(shù)的自適應(yīng)律。對于轉(zhuǎn)子速度，本文采用鎖相環(huán)進行控制。為驗證算法的有效性，本文基于試驗平臺2作了測試。實驗結(jié)果顯示，基于自