高性能永磁同步电机直接转矩控制策略研究

论文摘要

由于永磁电机具有高功率密度、高转矩惯性比和易于维护等特点,因此被广泛用于工业机器人和电动工具等高性能调速场合。在永磁同步电机(PMSM)的控制方法中,直接转矩控制(DTC)以结构简单,依赖电机参数少和动态响应快等特点著称,近年来得到了快速的发展。但仍然存在磁链观测误差大、转矩脉动大等问题,有待更进一步的探索研究。因此,研究磁同步电机的直接转矩控制策略有着十分重要的现实意义。本文研究工作围绕PMSM DTC的控制策略开展,主要内容如下:①论文在阐述永磁同步电机基本结构和数学模型的基础上,分析了永磁同步电机直接转矩控制的基本原理。详细讨论了电压空间矢量在永磁同步电机直接转矩控制中的作用和选择依据,同时分析了传统直接转矩控制方法的缺陷。②针对传统直接转矩控制定子磁链误差大、存在直流漂移等问题,提出了新型交叉补偿磁链观测算法。该算法是在传统的低通滤波磁链观测器基础上,交换了低通滤波环节与磁链补偿环节的顺序,并且在暂态时采用低通滤波,在稳态时先低通滤波再补偿磁链的相位和幅值。有效地解决了传统磁链观测器存在的直流漂移、测量干扰问题。提高了磁链观测的精度。改进后的磁链观测器结构简单,对电机参数鲁棒性好,易于工程实现。③在常规直接转矩控制中,一个采样周期中选择任何一个电压空间矢量都无法同时满足转矩和定子磁链的要求,从而产生了转矩脉动。为进一步提高系统的性能,在本文中采用了空间矢量调制的方法,以减小转矩脉动。空间矢量调制算法可以根据转矩和磁链控制的需要,提供除基本的八个电压空间矢量之外更为精确的连续电压空间矢量,进而提供更精确的转矩及磁链的控制。④建立了基于新型交叉补偿磁链观测器的PMSM DTC仿真模型,从低速到高速对电机进行仿真。仿真验证了本文提出的新型交叉补偿磁链观测器能够在宽速范围内精确估计定子磁链。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及研究意义
• 1.2 永磁同步电机的控制策略的研究现状
• 1.2.1 恒压频比控制（VVVF）
• 1.2.2 矢量控制（VC）
• 1.2.3 直接转矩控制（DTC）
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 2 永磁同步电机的基本结构与数学模型
• 2.1 永磁电机的基本结构
• 2.2 永磁同步电机数学模型
• 2.2.1 永磁同步电机电压和磁链方程
• 2.2.2 转矩公式
• 2.3 本章小结
• 3 PMSM DTC 基本原理及控制中的一些基本问题
• 3.1 PMSM DTC 运行理论
• 3.2 永磁同步电机直接转矩控制基本原理
• 3.3 永磁电机直接转矩控制中的一些基本问题
• 3.3.1 转子初始位置检测
• 3.3.2 电机定子电阻对磁链观测的影响
• 3.3.3 测量中直流偏置对磁链观测的影响
• 3.4 本章小结
• 4 PMSM DTC 定子磁链观测方法
• 4.1 磁链观测的重要意义
• 4.2 直接计算法
• 4.3 状态观测器法
• 4.4 反电势积分法
• 4.4.1 基于饱和反馈的改进积分器（方案1）
• 4.4.2 基于幅值限制的改进积分器（方案2）
• 4.4.3 基于自适应补偿的改进积分器（方案3）
• 4.4.4 基于交叉补偿的磁链积分器（方案4）
• 4.5 新型交叉补偿磁链观测器算法
• 4.6 本章小结
• 5 系统仿真
• 5.1 仿真软件MATLAB 简介
• 5.2 仿真系统模型
• 5.2.1 永磁同步电动机仿真模型
• 5.2.2 定子磁链仿真模型
• 5.2.3 直接转矩控制系统仿真模型
• 5.3 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 6 PMSM DTC 转矩脉动分析
• 6.1 转矩脉动产生原因
• 6.2 传统直接转矩控制系统仿真
• 6.3 PMSM SVM DTC 控制系统
• 6.3.1 SVM 对抑制转矩脉动的作用
• 6.3.2 SVM 基本概念
• 6.3.3 基于SVM 的直接转矩控制系统
• 6.4 PMSM SVM DTC 系统仿真
• 6.5 本章小结
• 7 总结
• 7.1 本文的创新点和结论
• 7.2 本文的后续工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录