永磁无刷直流电机直接转矩控制算法的研究

发布时间：2020-11-03 13:42

　　 由于环境污染、城市交通堵塞和不可再生能源匮乏等问题的提出,社会上迫切需要一种小型的、高能源利用率的代步工具,而新能源电动车正好满足社会的这种需求。永磁无刷直流电机控制系统作为一种大转矩输出和结构及控制简单的控制系统,能够满足新能源电动车的动力控制需求。直接转矩控制技术是一种高性能交流调速技术,通过实时控制无刷直流电机的电磁转矩,使得系统的输出转矩能够快速控制,系统响应应快。但是由于无刷直流电机通常采用两相导通的工作方式,采用方波电流和梯形波反电动势控制,加上电机本身电磁等因素的干扰,使得无刷直流电机直接转矩控制会产生较大的转矩脉动,这种转矩脉动很大程度上影响无刷直流电机控制系统的控制性能,因此迫切需要研究如何减小无刷直流电机直接转矩控制中的转矩脉动。本文首先从无刷直流电机转矩脉动的影响因素、国内外研究现状、直接转矩控制策略和滑模观测器存在的不足进行简要介绍。首先分析了无刷直流电机产生脉动的原因,并对当今国内外无刷直流电机直接转矩控制算法研究方向及热点进行分析。随后,介绍了无刷直流电机直接转矩滑模观测器的研究,并对传统滑模观测器存在的问题和本文的研究目标进行阐述。然后,介绍了永磁无刷直流电机直接转矩控制的两种策略,并在采用不含磁链控制的直接转矩控制策略,通过引入传统滑模观测器的方法来得到电机反电动势,进而得到电机的电磁转矩,并从理论和仿真分析传统滑模观测器存在的一些不足之处。其次,本文构造了一种基于电流误差的非奇异快速终端滑模观测器,并应用于无刷直流电机直接转矩控制中。考虑到传统滑模观测器存在抖振现象和高次谐波及收敛速度慢等原因,本文构造了一种非奇异快速终端滑模观测器来得到电机的反电动势。随后,在Simulink仿真平台上对非奇异快速终端滑模观测器和传统滑模观测器进行对比仿真分析,仿真结果表明非奇异快速终端滑模观测器观测得到的反电动势更准确,抖振更小,趋近速率更快,转矩脉动更小。然后,本文提出一种基于电流误差导数的非奇异快速终端滑模观测器,并应用于无刷直流电机直接转矩控制中。通过分析非奇异快速终端滑模观测器的滑模面,本文提出一种新型非奇异快速终端滑模观测器,来观测电机的反电动势。同时,使用S函数来调节线性滑模的系数。随后在Simulink仿真平台上对新型非奇异快速终端滑模观测器进行了仿真研究,并和传统的滑模观测器仿真进行对比,结果表明新型滑模观测器的反电动势更精确,趋近速率更快,转矩脉动更小。最后,设计和搭建以dSPACE为控制器的无刷直流电机直接转矩控制实验平台。选型一台功率为750W的无刷直流电机,并选择dSPACE作为算法的控制器,并设计平台保护电路、三相逆变器电路及采集电路、电压电流采集电路等。通过搭建无刷直流电机直接转矩控制半实物仿真平台,来验证本文提出的滑模观测下的直接转矩算法的有效性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM33
【部分图文】：

由公式(3-22)可知，p 、q 、 x 0 和d 均为已知常数，且c有界，因此 有界，所设计的非奇异快速终端滑模观测器可以使得系统的任一状态都能在有限时间内达到平衡点，满足可达性要求。3.3 两种滑模观测系统建模及对比分析3.3.1 传统滑模观测系统仿真建模根据本章构造的滑模观测器算法，在 Matlab 2017b 的环境下搭建无刷直流电机直接转矩控制的仿真框图，如图 3-1 所示，其中主要包括两个 Simulink 子封装模块。图 3-2 为通过相对地电压、相电流和电机转速结合传统滑模观测得到的电磁转矩的实际值和线反电动势模块，图 3-3 为通过霍尔信号输出、转矩滞环控制器输出并参考空间电压选择表输出得到下一个时刻的电压空间矢量模块。在仿真实验中采用的仿真步长为 5e-6s,低通滤波器的截止频率设置为 1KHz，转矩滞环控制器的宽度为0.1N m，acK 和bcK 的值分别取的是200，200，仿真中电机模型采用的参数和实物电机选型中的电机参数保持一致。

(a) (b)图 3-6 传统滑模观测下的反电动势和反电动势误差图(a) (b)图 3-7 非奇异快速终端滑模观测的反电动势及误差曲线由图 3-6(a)和图 3-7(a)对比分析可知，传统滑模观测器在观测反电动势时会产

37(a) (b)图 3-7 非奇异快速终端滑模观测的反电动势及误差曲线由图 3-6(a)和图 3-7(a)对比分析可知，传统滑模观测器在观测反电动势时会产生较大的“抖动”，因此传统滑模观测器中使用了低通滤波器的方法，来过滤反电动势中的高频成分，使得传统滑模观测得到的反电动势和实际的反电动势之间存在延迟，而使用非奇异快速终端滑模观测器则可以避免这种情况，观测的反电动势和实际反电动势保持同相位。由图 3-6(b)和图 3-7(b)对比分析可知，当电机的转速达到500r/min时，此时理想反电动势的峰值为 15V，传统滑模观测的反电动势的误差峰值达到 4V，且误差曲线存在比较明显的振动，而非奇异快速终端滑模观测的反电动势的误差峰值只要 1.5V，且误差曲线较好。相对比而言，设计的非奇异快速终端滑模观测器具有更好的反电动势观测性能，观测的反电动势和理想的反电动势之间的误差更小。由于无刷直流电机开始启动时，电机的转速为零，对应的反电动势为零，此
【参考文献】

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本文编号：2868651