永磁同步电动机减小转矩脉动的直接转矩控制方法研究

论文摘要

永磁同步电机因其无需励磁电流、运行效率和功率密度高等优点,在工业领域中得到了广泛的应用,直接转矩控制方法具有控制简单、响应迅速的优点,已成为一种高性能的交流调速方法。本文叙述了永磁同步电机直接转矩控制的最新研究发展状况,针对永磁同步电机直接转矩控制中存在的定子电阻变化、低速运行时磁链和转矩脉动大、逆变器开关频率不恒定等问题,提出了相应改进方案,并进行了仿真和实验验证,其主要工作及成果有：一、针对永磁同步电机定子电阻变化影响磁链和转矩控制性能的问题,提出了一种根据定子电流实际值与给定值的误差,采用模糊控制的定子电阻在线估计方法。详细研究了定子电阻变化对磁链和转矩计算的影响,指出了若不对定子电阻变化进行补偿会导致系统性能变差。仿真结果表明定子电阻参数的变化确实会使直接转矩控制中转矩和磁链位置的计算发生偏差,同时基于模糊控制的定子电阻在线估计方法能够准确地估计出定子电阻的变化,减小了由于定子电阻变化而带来的转矩和定子磁链位置误差。二、针对永磁同步电机传统直接转矩控制中存在的磁链增量不对称性和转矩脉动大等问题,提出了一种扇区细分和占空比控制相结合的永磁同步电机新型直接转矩控制方法。对永磁同步电机传统直接转矩控制中的磁链和转矩运行轨迹及增量进行了详细地分析,指出磁链和转矩增量在扇区分界处具有明显的不对称性,同时增量与采样周期、采样周期内作用的电压矢量幅值存在正比关系。提出了一种将常用的六个扇区细分成十八个扇区,并根据转矩误差实时确定输出电压脉冲的占空比—即作用的有效电压矢量幅值的新型直接转矩控制方法。仿真和实验结果证明了这种方法有效地减小了传统直接转矩控制中磁链增量的不对称性,进而改善了磁链运行轨迹,减小了电机的转矩脉动。三、针对永磁同步电机传统直接转矩控制中的磁链和转矩脉动大、逆变器开关频率不恒定等问题,提出了一种基于空间矢量调制的永磁同步电机新型直接转矩控制方法。在建立永磁同步电机定子磁链坐标系数学模型的基础上,利用磁链和转矩误差及转速确定出电压在定子磁链坐标系轴上的给定参考分量,再结合坐标变换和空间矢量调制方法实现电机磁链和转矩的控制。该方法中省去了传统直接转矩控制中的磁链和转矩滞环控制器,并结合了空间矢量调制方法,能够明显减小传统直接转矩控制中的磁链和转矩脉动,使逆变器工作在恒定的开关频率下,仿真和实验结果证明了其有效性和正确性。四、针对传统直接转矩控制中的转矩脉动问题,提出了一种基于离散空间矢量调制的改进直接转矩控制方法,并对三种改进直接转矩控制方法进行了比较。在分析永磁同步电机转矩公式的基础上,得出了不同转速下电压矢量对转矩的影响,提出了一种选用与基本电压矢量同方向,但幅值大小不同的离散空间矢量调制的直接转矩控制方法,并针对传统的转矩滞环控制器进行了改进。仿真和实验结果表明该控制方法简单,易于实现,能够使电机转矩脉动与电机噪声得到了较好的抑制。同时对提出的三种改进直接转矩控制方法进行了比较研究,得出了基于空间矢量调制的直接转矩控制方法减小转矩脉动效果最好的结论。五、采用了一种将脉振高频信号注入逆变器输出PWM波的电机转速估算方法,实现了永磁同步电机无速度传感器速度闭环控制。对旋转高频电压信号注入和脉振高频电压信号注入方法估计转速进行了详细的理论推导和仿真验证,说明旋转高频电压信号注入法的实现需要永磁同步电机在物理构成上具有凸极性,而脉振高频电压信号注入法的实现只需要永磁同步电机在高频信号下体现出一定的凸极性,就可以实现电机转速辨识,因此具有更为广泛的适应范围,但是注入脉振的高频信号,可能会增加电机的脉动。对脉振高频电压信号注入法估计电机转速进行了实验验证,实验结果证明了这种方法适合于低速运行,对电机参数的变化不敏感,鲁棒性强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 永磁同步电机的控制方式
• 1.3 永磁同步电机直接转矩控制研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 永磁同步电机直接转矩控制系统
• 2.1 永磁同步电机的结构和数学模型
• 2.1.1 永磁同步电机的结构
• 2.1.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.2 永磁同步电机直接转矩控制原理
• 2.2.1 空间电压矢量的形成
• 2.2.2 定子磁链的控制
• 2.2.3 电磁转矩的控制
• 2.3 永磁同步电机直接转矩控制实现
• 2.3.1 磁链和转矩的计算
• 2.3.2 滞环控制器与电压矢量选择表
• 2.4 仿真与实验结果
• 2.5 本章小结
• 3 一种直接转矩控制中的定子电阻在线估计方法
• 3.1 定子电阻变化对系统性能的影响
• 3.2 基于PI和模糊控制的定子电阻在线估计
• 3.2.1 采用PI控制的定子电阻在线估计方法
• 3.2.2 采用模糊控制的定子电阻在线估计方法
• 3.3 仿真结果
• 3.4 本章小结
• 4 基于扇区细分和占空比控制的DTC系统
• 4.1 传统PMSM直接转矩控制性能分析
• 4.1.1 磁链控制性能分析
• 4.1.2 转矩控制性能分析
• 4.2 基于扇区细分和占空比控制的DTC系统
• 4.2.1 磁链性能改善
• 4.2.2 转矩性能改善和占空比控制
• 4.2.3 基于扇区细分和占空比控制的新型DTC
• 4.3 仿真和实验结果
• 4.4 本章小结
• 5 基于空间矢量调制的直接转矩控制系统
• 5.1 传统DTC滞环控制分析
• 5.2 基于空间矢量调制的DTC原理
• 5.2.1 定子磁链坐标系下的PMSM数学模型
• 5.2.2 基于空间矢量调制的DTC系统
• 5.2.3 空间电压矢量调制
• 5.3 仿真和实验结果
• 5.4 本章小结
• 6 基于离散空间矢量调制的直接转矩控制
• 6.1 离散空间矢量调制的控制原理
• 6.1.1 电压矢量对转矩的影响
• 6.1.2 离散电压矢量的选择
• 6.2 离散空间矢量调制的直接转矩控制方法
• 6.3 仿真和实验结果
• 6.4 三种提高性能的DTC方法的比较
• 6.5 本章小结
• 7 基于高频信号注入法的PMSM无速度传感器控制
• 7.1 高频信号注入法实现原理
• 7.1.1 旋转高频电压信号注入法
• 7.1.2 脉振高频电压信号注入法
• 7.2 仿真结果
• 7.2.1 旋转高频电压信号注入法仿真结果
• 7.2.2 脉振高频电压信号注入法仿真结果
• 7.3 实验结果
• 7.4 本章小结
• 8 实验系统的数字化实现
• 8.1 实验系统的总体组成
• 8.2 实验系统的硬件设计
• 8.2.1 DSP F2812简介
• 8.2.2 主电路
• 8.2.3 控制电路设计
• 8.2.4 电流和电压采样电路及处理
• 8.2.5 过流和过压保护电路设计
• 8.3 实验系统的软件设计
• 8.3.1 程序流程
• 8.3.2 转速的计算
• 8.3.3 转速调节器的实现
• 8.3.4 定子磁链扇区判断
• 8.3.5 数字滤波器DSP算法的实现
• 8.4 本章小结
• 9 全文总结与展望
• 9.1 本文主要结论和创新点
• 9.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 永磁同步电机参数
• 攻读博士学位期间发表与录用的论文