永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向控制的研究.pdf

1、永磁交流伺服系統(tǒng)作為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的重要組成部分，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重大的作用。永磁同步電動(dòng)機(jī)以其顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于中小功率傳動(dòng)場(chǎng)合，成為研究的重要領(lǐng)域。本文主要圍繞如何提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制性能，借助自行開(kāi)發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)控制平臺(tái)，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)定向控制進(jìn)行深入分析，并就磁場(chǎng)定向下的有位置傳感器控制方法以及無(wú)傳感器控制進(jìn)行了研究。進(jìn)而提出一種高精度的混合控制方法，對(duì)前文方法本身存在的不足進(jìn)行了彌補(bǔ)

2、與改善，更進(jìn)一步提高了系統(tǒng)控制精度。 詳細(xì)分析了電機(jī)在靜止三相，靜止兩相以及旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，深入討論了基于磁場(chǎng)定向的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的原理與實(shí)現(xiàn)方式，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。對(duì)五種矢量控制形式進(jìn)行了闡述，對(duì)其各自的特點(diǎn)、適用場(chǎng)合、特性曲線進(jìn)行了對(duì)比與分析。對(duì)直接轉(zhuǎn)矩下的負(fù)載角對(duì)性能的影響及其與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系進(jìn)行了分析。最后通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)比了兩種磁場(chǎng)定向控制方法的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)控制性能，對(duì)兩者的異同點(diǎn)作出了結(jié)論

3、。 對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在矢量控制中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，將多用于機(jī)器人控制的CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入矢量控制，與傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器共同構(gòu)建復(fù)合控制器對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)前饋控制，通過(guò)訓(xùn)練獲得非線性被控對(duì)象的逆動(dòng)態(tài)模型，常規(guī)PID控制實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性且抑止擾動(dòng)，采用改進(jìn)的Albus算法提高網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和收斂的速度，通過(guò)與單純PID控制效果的對(duì)比，該方法提高了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能與魯棒性。 提出一種空間矢量轉(zhuǎn)

4、矩控制方法，其本質(zhì)是基于空間矢量PWM調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制，利用直接轉(zhuǎn)矩控制中檢測(cè)與估算的信號(hào)根據(jù)定子電壓計(jì)算模型進(jìn)行推導(dǎo)，得出定子電壓的兩相運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系分量并合成定子電壓。充分借助SVPWM連續(xù)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，回避了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)六個(gè)離散的基本空間矢量對(duì)定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)施控制而造成的轉(zhuǎn)矩與電流脈動(dòng)。設(shè)計(jì)了空間矢量轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果證明了該方法的有效性。 現(xiàn)代交流傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)其伺服控制的低速性能及精度提

5、出了越來(lái)越高的要求，低速性能作為衡量伺服系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)引起人們的重視。本文詳細(xì)分析了定子電流、摩擦力、齒槽效應(yīng)以及控制系統(tǒng)本身等幾個(gè)主要因素對(duì)電機(jī)低速性能造成的影響，并針對(duì)這些因素提出了相應(yīng)的解決辦法，提出一種基于給定轉(zhuǎn)速改變調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及參數(shù)的控制方案，能夠有效減小因定子電流擾動(dòng)、齒槽效應(yīng)以及摩擦力帶來(lái)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，并針對(duì)算法實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)對(duì)低速性能的影響進(jìn)行了補(bǔ)償，有效上述磁場(chǎng)定向下的控制方法均需依靠位置傳感器進(jìn)行，本文還對(duì)磁場(chǎng)定向下的無(wú)

6、傳感器控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。對(duì)現(xiàn)有的一些無(wú)傳感器控制方法作出歸納后，首先對(duì)無(wú)傳感器控制中的電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了初始位置檢測(cè)原理并提出一種基于漸變電壓矢量注入的初始位置檢測(cè)方法，仿真與實(shí)驗(yàn)研究證明了設(shè)計(jì)的有效性。重點(diǎn)對(duì)基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的無(wú)位置傳感器磁場(chǎng)定向控制方法進(jìn)行了研究，分析了擴(kuò)展卡爾曼濾波器的遞推原理，首先在矢量控制中加以實(shí)現(xiàn)：并針對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)，設(shè)定不同的輸入與輸出量，利用同一種原理在不同控制方法下進(jìn)

7、行了新的嘗試，由于卡爾曼濾波器不需要準(zhǔn)確的初始值，所以解決了直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)轉(zhuǎn)子初始位置的要求，該方法實(shí)現(xiàn)了定子磁鏈和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估算，能夠有效提高定子磁通觀測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化、負(fù)載擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。 為達(dá)到更高精度的控制性能，本文提出一種基于β角變換的混合控制方法。在矢量圖中定義了β角并根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩方程推導(dǎo)出最大電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的β值，以此為基礎(chǔ)分析了i<,d>=0控制下電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載變化與β角的關(guān)系。設(shè)計(jì)了基于β角觀測(cè)

8、的混合控制方法，在不同情況下采取頻率換向或位置換向的不同控制方式，并設(shè)計(jì)過(guò)渡控制消除兩者切換造成的波動(dòng)。推導(dǎo)了β角的穩(wěn)定工作范圍并研究了不同控制方式的切換條件。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的有效性。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了基于混合控制的PMSM無(wú)傳感器控制方法，充分考慮頻率換向無(wú)需位置傳感器的特點(diǎn)，使系統(tǒng)大部分時(shí)間運(yùn)行在高精度的無(wú)傳感器控制方式，僅在啟動(dòng)及負(fù)載突變時(shí)改用無(wú)傳感控制模式下的位置換向方式，并將本文研究的基于卡爾曼濾波器的無(wú)傳感器控