交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的精確模型與非線性控制的研究.pdf

1、交流永磁同步電動(dòng)機(jī)具有高效率、高功率密度、高可靠性、控制特性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。建立交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量的精確分離，提高電磁轉(zhuǎn)矩控制的快速性與準(zhǔn)確性，然而磁路飽和、交叉耦合、鐵心損耗等都在不同程度上影響著模型精確性。 本文以高性能的速度伺服系統(tǒng)為目標(biāo)，在交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型、齒槽力矩分析與抑制、非線性控制策略等方面進(jìn)行了較為深入的

2、系統(tǒng)研究。交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析系統(tǒng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)，并且能夠?yàn)楦纳平涣饔来磐诫妱?dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的性能提供理論依據(jù)。磁場(chǎng)分布的復(fù)雜性以及磁路飽和使得交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的電感有別于普通同步電動(dòng)機(jī)。鐵心損耗也是交流永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型中的一個(gè)重要參數(shù)。采用傳統(tǒng)的矢量控制策略時(shí)，通常忽略鐵心損耗的影響。本文采用數(shù)值法定量分析了不同負(fù)載情況下交、直軸電感與電流的關(guān)系；采用損耗分離的方法，計(jì)算了考慮旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用的

3、交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的鐵心損耗。在上述分析的基礎(chǔ)上，建立了考慮磁路飽和與鐵損時(shí)交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，該模型的精確度較高，可以提高矢量控制系統(tǒng)的力矩控制精度。高性能伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要良好的力矩控制，而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)引起電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，降低速度或位置控制系統(tǒng)的控制精度。齒槽力矩是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的一個(gè)重要成分，有效地抑制或消除齒槽力矩具有重要的意義。本文在分析永磁電機(jī)齒槽力矩的產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用極槽配合法抑制永磁電機(jī)的理想齒槽力矩。采用了數(shù)值法

4、定量分析了電機(jī)制造過(guò)程中的定、轉(zhuǎn)子缺陷產(chǎn)生的非理想齒槽力矩。并采用了磁鋼形狀優(yōu)化法、閉口槽法和定子齒冠開(kāi)槽法抑制非理想齒槽力矩。試驗(yàn)結(jié)果表明，磁鋼形狀優(yōu)化法可以有效抑制齒槽力矩的高次諧波，而閉口槽法與定子齒冠開(kāi)槽法可以有效抑制非理想齒槽力矩。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，可以結(jié)合極槽配合法與定子齒冠開(kāi)槽法將齒槽力矩抑制到一個(gè)合理的范圍內(nèi)。矢量控制理論是實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩有效控制的基礎(chǔ)。本文運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)了交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)字化矢量控制。研究

5、了一種快速空間矢量脈寬調(diào)制法，并運(yùn)用到交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流控制。采用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的速度控制，并采用加權(quán)臨界靈敏度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所采用的快速空間矢量脈寬調(diào)制法運(yùn)算量少、執(zhí)行速度快，實(shí)現(xiàn)了電流的快速無(wú)靜差控制。本文設(shè)計(jì)的速度調(diào)節(jié)器可以顯著降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速超調(diào)，取得較好的穩(wěn)態(tài)性能。采用線性控制策略的交流永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠理想，為此本文將一種先進(jìn)的非線性控制策略——自適應(yīng)反

6、步控制及其改進(jìn)方法——?jiǎng)討B(tài)表面控制應(yīng)用到交流永磁同步電動(dòng)機(jī)中，通過(guò)結(jié)合自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦系數(shù)、負(fù)載力矩等不確定機(jī)械參數(shù)和逆變器非線性、永磁體磁鏈等不確定電氣參數(shù)的自適應(yīng)估計(jì)。采用一種新穎的負(fù)載力矩自適應(yīng)估計(jì)法，有效抑制初始速度跟隨誤差大對(duì)速度響應(yīng)的影響。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性，本文采用滑模估計(jì)器進(jìn)行不確定電氣參數(shù)的辨識(shí)，而采用遞推二乘法進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量辨識(shí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)反步控制可以實(shí)現(xiàn)交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)超調(diào)轉(zhuǎn)速控