高性能永磁同步電機控制方法的研究.pdf

1、永磁同步電機以其效率高，體積小，重量輕等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用在許多工業(yè)領(lǐng)域。近幾年，隨著電力電子技術(shù)、電機制造技術(shù)及現(xiàn)代電機控制理論的迅猛發(fā)展，永磁電機及驅(qū)動控制器等硬件技術(shù)逐步成熟，而以軟形式存在于控制芯片中的各類先進控制技術(shù)卻成為制約永磁電機發(fā)展及應(yīng)用的瓶頸。因此，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能電機控制技術(shù)，尤其是最具應(yīng)用前景的永磁電動機控制技術(shù)是目前運動控制領(lǐng)域的研究熱點。在此背景下，本文以提高永磁同步電機控制性能為出發(fā)點，對常規(guī)負載和特

2、殊負載（壓縮機）下永磁同步電機的運行特性進行了深入研究，針對傳統(tǒng)控制方法所存在的不足，提出了新的控制方法，并通過仿真與實驗驗證了這些控制方法的有效性和實用性。
　　本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性的成果如下：
　　(1)利用空間矢量及坐標變換建立了永磁同步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型，然后在此模型基礎(chǔ)上對矢量控制中的最大轉(zhuǎn)矩/電流控制方法進行了研究。針對傳統(tǒng)查表法在控制精度與動態(tài)響應(yīng)速度間的矛盾，本文提出了一種新型的基于曲線擬合

3、的最大轉(zhuǎn)矩/電流控制方法。首先根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩/電流控制基本理論建立了永磁電機電磁轉(zhuǎn)矩與電流分量的約束關(guān)系，并將迭代法用于求取相應(yīng)的電流最優(yōu)解，然后把所得的解通過數(shù)值分析方法得到了電磁轉(zhuǎn)矩與電流分量的曲線關(guān)系。根據(jù)曲線特點，綜合考慮控制精度、運算復(fù)雜度以及DSP實現(xiàn)的難易程度，將該曲線分成三段進行數(shù)學(xué)擬合，并且每個擬合函數(shù)的最高次數(shù)為2，用擬合所得的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式替代傳統(tǒng)的查表法中大量的離散數(shù)據(jù)，簡化了控制算法。最后通過仿真和實驗驗證了新的

4、控制方法能夠提高系統(tǒng)的性能。
　　(2)通過對永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制研究，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)控制算法中存在的不足。為此本文提出了一種基于模型參考自適應(yīng)的直接轉(zhuǎn)矩控制算法。針對系統(tǒng)成本高、穩(wěn)定性低，本文將控制理論中的模型參考自適應(yīng)算法運用于永磁同步電機的轉(zhuǎn)速識別，從而省去了位置編碼器，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性而且節(jié)約了成本。針對傳統(tǒng)電壓積分法對定子磁鏈進行估算誤差大的缺陷，在新的控制算法中采用了轉(zhuǎn)子位置和定子電流估計定子磁鏈的方法，該方法

5、受速度的影響小，提高了估算的準確度。針對逆變器開關(guān)頻率不恒定的缺陷，用雙PI控制器替代傳統(tǒng)算法中的雙滯環(huán)控制器，并且運用電壓空間矢量調(diào)制方法得到了固定的開關(guān)頻率，提高了開關(guān)器件的使用壽命和電壓利用率。最后通過仿真和實驗驗證了新的控制算法能夠有效地提高永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的性能。
　　(3)由變頻器驅(qū)動永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，是一種理想的調(diào)速方案，然而變頻器產(chǎn)生共模電壓影響了永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的性能。本文以常用的電壓源型PWM變

6、流器為研究對象，從共模電壓的產(chǎn)生機理出發(fā)，得到了共模電壓是由一系列特定頻率的諧波組成，針對這一特性，提出了一種基于準揩振控制器的共模電壓的抑制方法。根據(jù)諧振控制器在諧振頻率處增益無窮大，可以使與其諧振頻率具有相同頻率的正弦信號實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制的特點，在傳統(tǒng)的PI控制的基礎(chǔ)上并聯(lián)一個準諧振控制器，并調(diào)整其諧振頻率與共模電壓高幅值部分的頻率相匹配，對共模電壓中高幅值部分進行重點補償，從而達到對輸出模電壓的抑制。通過仿真與實驗對比，驗證了該

7、控制方法的正確性和有效性。
　　(4)隨著永磁同步電機在壓縮制冷系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，如何抑制其低速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速脈動成為了研究的重點。為了改善永磁同步電機驅(qū)動壓縮制冷系統(tǒng)在低速運行時的轉(zhuǎn)速特性，本文提出了一種基于滑模觀測器的比例諧振控制策略。當壓縮機處于穩(wěn)定工況運行時，在傳統(tǒng)的PI控制器上并聯(lián)一個可變頻率諧振控制器，構(gòu)成自適應(yīng)比例諧振控制器，從而使得參考轉(zhuǎn)矩電流是由PI控制器產(chǎn)生的主要參考電流與諧振控制器產(chǎn)生的補償電流一起構(gòu)成的。由于補

8、償轉(zhuǎn)矩電流的作用，使得電磁轉(zhuǎn)矩能夠更好地跟蹤負載轉(zhuǎn)矩，以此達到對轉(zhuǎn)速脈動的抑制。當壓縮機處于變工況運行時，為了減小負載轉(zhuǎn)矩突變對永磁同步電機控制系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)抗擾動性能，使用滑模觀測器對負載轉(zhuǎn)矩進行觀測，并將觀測的轉(zhuǎn)矩進行前饋補償，以克服轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)變化時對轉(zhuǎn)速控制特性的影響。通過仿真與實驗對比，驗證了該控制方法的正確性和有效性。
　　論文的所有研究工作在仿真研究的基礎(chǔ)上均進行了實驗驗證。為了論文的統(tǒng)一性，在本文第二中對實驗平臺