面贴式永磁同步电机直接转矩控制策略研究

论文摘要

面贴式永磁同步电机具有高功率密度、高效率、高可靠性和高性能的特点，因而在工业上得到广泛应用。随着对执行机构反应速度要求的提高，直接转矩控制策略（DTC）由于其转矩响应快、动态性能好的特点被应用于面贴式永磁同步电机控制当中。然而，目前在转矩脉动、低速性能、初始位置检测和反电动势为非正弦波的永磁同步电机控制等方面还存在一些问题。针对这些问题，本文在基本直接转矩控制理论的基础上，依次寻求解决方法，完善和发展面贴式永磁同步电机直接转矩控制策略。本文首先研究了面贴式永磁同步电机基本DTC控制策略，实验和仿真验证了基本DTC具有良好的动态性能但转矩脉动较大，深入分析表明造成转矩脉动的本质是电压矢量少和定子电感小。为减小转矩脉动，本文提出一种基于新磁链误差矢量算法的空间电压矢量调制直接转矩控制策略（FEVE-DTC-SVM）。仿真和实验结果表明该方法保持了基本DTC优良的动态性能，同时又减小了转矩脉动。当电机运行于较低转速时，定子绕组上的压降和功率开关管的导通压降变得不能忽略。为提高定子磁链观测精度，本文从功率管电压补偿和定子电阻自估计两个方面来改良常规磁链观测器。在功率管电压补偿中，将在磁链计算中计及补偿量和在输出参考电压矢量中直接补偿两种方法进行对比，得出直接补偿的效果更好。将DTC中容易得到的电磁转矩和定子电流变量作为输入，用一个PI控制器进行电阻在线估计，实现了电阻突变和缓慢线性变化情况下的跟踪。不同于常用电压积分模型，本文提出了一种新型基于转子位置和定子电流的定子磁链观测器，该方法可以进一步改善DTC的低速性能，从而得到更宽的调速范围。直接转矩控制的永磁同步电机启动需要转子初始位置信息。在转子静止情况下，检测永磁同步电机转子初始位置有两种常用方法，高频载波注入和磁介质饱和方法。本文在分析永磁同步电机初始位置检测的常用方法基础上，提出了一种利用定子磁饱和效应与神经网络相结合的位置检测方法，可以得到误差小于20°的位置信息，在该精度下可以平稳地满载启动电机。最后，对于反电动势为非正弦波的永磁同步电机，本文改进了直接转矩控制策略，使之能适用于任意反电动势波形的永磁同步电机。仿真和实验结果表明，该控制策略能对反电动势为非正弦的永磁同步电机进行有效的转矩控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 本文常用术语列表
• 第一章 绪论
• 1.1 永磁同步电机发展应用
• 1.1.1 永磁材料进步
• 1.1.2 电力电子技术革新
• 1.1.3 永磁同步电机的应用前景
• 1.2 永磁同步电机的结构和分类
• 1.3 永磁同步电机控制策略发展
• 1.3.1 调压频比控制
• 1.3.2 矢量控制
• 1.3.3 直接转矩控制
• 1.4 永磁同步电机直接转矩控制的主要问题及发展
• 1.4.1 传统电压积分型定子磁链观测器的改进
• 1.4.2 新型定子磁链观测器的研究
• 1.4.3 转子初始位置检测
• 1.4.4 减小转矩脉动方法研究
• 1.4.5 扩大直接转矩控制的应用
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 空间矢量调制方式下的PMSM直接转矩控制
• 2.1 面贴式永磁同步电机数学模型
• 2.1.1 永磁同步电机定子磁链模型
• 2.1.2 永磁同步电机转矩模型
• 2.2 PMSM直接转矩控制
• 2.2.1 直接转矩控制基本思想
• 2.2.2 PMSM-DTC仿真
• 2.2.3 PMSM-DTC实验
• 2.3 加入零矢量的DTC方法
• 2.3.1 在PMSM-DTC中零电压矢量的作用
• 2.3.2 加入零矢量后的PMSM-DTC仿真
• 2.3.3 加入零矢量后的PMSM-DTC实验
• 2.4 PMSM-DTC-SVM基本方法
• 2.4.1 空间矢量调制思想
• 2.4.2 基于新型磁链误差算法的FEVE-DTC-SVM仿真
• 2.4.3 FEVE-DTC-SVM实验
• 2.5 小结
• 第三章 定子磁链观测中电压补偿和电阻估计
• 3.1 功率管压降和死区效应补偿
• 3.1.1 功率管压降补偿
• 3.1.2 逆变器死区补偿
• 3.1.3 管压降和死区效应直接补偿法
• 3.2 磁链计算中的电阻补偿方法
• 3.2.1 电阻估计基本原理
• 3.2.2 电阻补偿实验
• 3.3 小结
• 第四章 基于转子位置和定子电流的定子磁链观测
• 4.1 积分型观测器的性能
• 4.2 基于转子位置和定子电流的磁链估计思想
• 4.3 基于转子位置和定子电流的磁链估计仿真
• 4.4 新型磁链观测器实验
• 4.5 小结
• 第五章 PMSM-DTC中初始位置检测
• 5.1 高频载波注入法
• 5.1.1 高频载波注入法原理
• 5.1.2 高频载波注入法仿真
• 5.2 铁磁介质饱和法
• 5.3 神经网络在初始位置检测中应用
• 5.3.1 神经网络基本原理
• 5.3.2 神经网络学习过程
• 5.3.3 初始位置检测实验
• 5.4 小结
• 第六章 非正弦反电动势PMSM-DTC研究
• 6.1 NS-PMSM-DTC原理
• 6.2 NS-PMSM-DTC仿真
• 6.3 具有三次谐波分量反电动势的DTC
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 后续研究工作展望
• 附录
• A 实验所用永磁同步电机的参数
• B 实验系统的硬件组成
• C 具有不规则反电动势机组
• D 控制程序流程图
• E 标么值选取
• 参考文献
• 博士期间发表的论文
• 致谢