高性能永磁同步电机控制方法的研究

发布时间：2018-01-12 13:28

本文关键词：高性能永磁同步电机控制方法的研究　出处：《湖南大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：永磁同步电机以其效率高，体积小，重量轻等优点被广泛应用在许多工业领域。近几年，随着电力电子技术、电机制造技术及现代电机控制理论的迅猛发展，永磁电机及驱动控制器等硬件技术逐步成熟，而以软形式存在于控制芯片中的各类先进控制技术却成为制约永磁电机发展及应用的瓶颈。因此，研究具有自主知识产权的高性能电机控制技术，尤其是最具应用前景的永磁电动机控制技术是目前运动控制领域的研究热点。在此背景下，本文以提高永磁同步电机控制性能为出发点，对常规负载和特殊负载（压缩机）下永磁同步电机的运行特性进行了深入研究，针对传统控制方法所存在的不足，提出了新的控制方法，并通过仿真与实验验证了这些控制方法的有效性和实用性。本文主要研究内容和创新性的成果如下： (1)利用空间矢量及坐标变换建立了永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型，然后在此模型基础上对矢量控制中的最大转矩/电流控制方法进行了研究。针对传统查表法在控制精度与动态响应速度间的矛盾，本文提出了一种新型的基于曲线拟合的最大转矩/电流控制方法。首先根据最大转矩/电流控制基本理论建立了永磁电机电磁转矩与电流分量的约束关系，并将迭代法用于求取相应的电流最优解，然后把所得的解通过数值分析方法得到了电磁转矩与电流分量的曲线关系。根据曲线特点，综合考虑控制精度、运算复杂度以及DSP实现的难易程度，将该曲线分成三段进行数学拟合，并且每个拟合函数的最高次数为2，用拟合所得的数学函数关系式替代传统的查表法中大量的离散数据，简化了控制算法。最后通过仿真和实验验证了新的控制方法能够提高系统的性能。 (2)通过对永磁同步电机的直接转矩控制研究，发现了传统控制算法中存在的不足。为此本文提出了一种基于模型参考自适应的直接转矩控制算法。针对系统成本高、稳定性低，本文将控制理论中的模型参考自适应算法运用于永磁同步电机的转速识别，从而省去了位置编码器，不仅提高了系统的可靠性而且节约了成本。针对传统电压积分法对定子磁链进行估算误差大的缺陷，在新的控制算法中采用了转子位置和定子电流估计定子磁链的方法，该方法受速度的影响小，提高了估算的准确度。针对逆变器开关频率不恒定的缺陷，用双PI控制器替代传统算法中的双滞环控制器，并且运用电压空间矢量调制方法得到了固定的开关频率，提高了开关器件的使用寿命和电压利用率。最后通过仿真和实验验证了新的控制算法能够有效地提高永磁同步电机直接转矩控制的性能。 (3)由变频器驱动永磁同步电机调速系统，是一种理想的调速方案，然而变频器产生共模电压影响了永磁同步电机调速系统的性能。本文以常用的电压源型PWM变流器为研究对象，从共模电压的产生机理出发，得到了共模电压是由一系列特定频率的谐波组成，针对这一特性，提出了一种基于准揩振控制器的共模电压的抑制方法。根据谐振控制器在谐振频率处增益无穷大，可以使与其谐振频率具有相同频率的正弦信号实现零稳态误差控制的特点，在传统的PI控制的基础上并联一个准谐振控制器，并调整其谐振频率与共模电压高幅值部分的频率相匹配，对共模电压中高幅值部分进行重点补偿，从而达到对输出模电压的抑制。通过仿真与实验对比，验证了该控制方法的正确性和有效性。 (4)随着永磁同步电机在压缩制冷系统中的广泛应用，如何抑制其低速范围内转速脉动成为了研究的重点。为了改善永磁同步电机驱动压缩制冷系统在低速运行时的转速特性，本文提出了一种基于滑模观测器的比例谐振控制策略。当压缩机处于稳定工况运行时，，在传统的PI控制器上并联一个可变频率谐振控制器，构成自适应比例谐振控制器，从而使得参考转矩电流是由PI控制器产生的主要参考电流与谐振控制器产生的补偿电流一起构成的。由于补偿转矩电流的作用，使得电磁转矩能够更好地跟踪负载转矩，以此达到对转速脉动的抑制。当压缩机处于变工况运行时，为了减小负载转矩突变对永磁同步电机控制系统的影响，提高系统抗扰动性能，使用滑模观测器对负载转矩进行观测，并将观测的转矩进行前馈补偿，以克服转矩瞬态变化时对转速控制特性的影响。通过仿真与实验对比，验证了该控制方法的正确性和有效性。论文的所有研究工作在仿真研究的基础上均进行了实验验证。为了论文的统一性，在本文第二中对实验平台及装置进行了全面介绍。其中第三、四、五章所提出的控制策略均在2.5kW永磁同步电机实验平台上进行了实验验证。第六章对永磁同步电机在压缩系统中应用进行了研究，根据项目需要针对特定的压缩机负载设计了7kW永磁同步电机，并且搭建了实验平台行了实验验证。通过仿真与实验结果共同证明所提出的控制方法的正确性和有效性。
[Abstract]:Permanent magnet synchronous motor is widely used in many industrial fields with the advantages of high efficiency , small volume , light weight and so on . In recent years , with the rapid development of electric power electronics , motor manufacturing technology and modern motor control theory , various advanced control technologies such as permanent magnet motor and drive controller have become the bottleneck in the field of motion control . The main research contents and innovative results are as follows : ( 1 ) The mathematical model of the permanent magnet synchronous motor in synchronous rotating coordinate system is established by using space vector and coordinate transformation . The maximum torque / current control method based on curve fitting is established on the basis of this model . This paper presents a direct torque control algorithm based on model reference adaptive algorithm , which can improve the reliability of the system and save the cost . ( 3 ) It is an ideal speed control scheme to drive a permanent magnet synchronous motor by a frequency converter , but the common mode voltage produced by the frequency converter affects the performance of the speed regulation system of the permanent magnet synchronous motor . ( 4 ) With the wide application of the permanent magnet synchronous motor in the compression refrigeration system , how to suppress the speed fluctuation in the low speed range has become the focus of the research . In order to improve the rotating speed characteristic of the permanent magnet synchronous motor in the low speed operation , a variable frequency resonance controller is connected in parallel on the traditional PI controller . In the second part of this paper , the experimental verification is carried out on the basis of the simulation research . The experimental platform and the device are introduced in the second part of this paper . The control strategy proposed by the third , fourth and fifth chapters is verified by experiments on the experimental platform of 2.5kW permanent magnet synchronous motor . The sixth chapter designs 7kW permanent magnet synchronous motor for the specific compressor load according to the project , and the experimental platform is set up . The simulation and experimental results prove the correctness and effectiveness of the proposed control method .

【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM341

【参考文献】