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《浙江大学》 2006年 博士论文
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矢量控制永磁同步电动机交流伺服系统的研究

吴茂刚  
【摘要】: 交流伺服系统在电力传动领域发挥重要作用,是工业自动化不可缺少的组成部分,永磁同步电动机以其独特的优点适用于中小功率伺服场合。本文的工作围绕提高永磁同步电动机伺服系统的性能展开,对永磁同步电动机转矩脉动、速度和位置控制、转子初始位置检测和起动等进行了深入研究。 在分析永磁同步电动机数学模型的基础上,阐明了转子磁场定向矢量控制的原理和实现方法,对两种主要的逆变器调制方法即正弦和空间矢量PWM做了深入分析和比较,为后续的分析奠定了基础。 对电机的调速控制实质上是对电磁转矩的控制,而转矩的产生是电、磁的综合效果,受非线性因素的影响。本文从逆变器角度分析了永磁同步电动机的转矩脉动,引入了误差电压矢量的概念来描述死区效应,用三种方法即矢量变换法、图解合成法和周波变换法推导出误差电压矢量的幅值计算公式、得出矢量相位和三相电流极性的对应关系,在此基础上深入分析了永磁同步电动机的死区效应,提出了正弦和空间矢量PWM逆变器死区的时间和电压补偿方法,并根据空间矢量PWM的特点,得到了时间补偿的简化算式,为提高电流极性检测精度,提出了电流极性检测的预测电流法和电流矢量法。分析了逆变器空间矢量PWM的转矩脉动,分别推导出计及调制因素和死区效应的转矩计算公式,分别得出两者的转矩脉动量和脉动率,阐述了两种转矩脉动的性质,提出了削弱脉动的方法,针对两种脉动的削弱在载波频率上存在矛盾,提出了综合削弱应该考虑的几个方面。 速度和位置控制是永磁同步电动机伺服系统的两种主要控制形式。为提高转速精度,提出了一种混合式速度调节方法,将他控方式引入到永磁同步电动机控制中并实现了与自控的有机结合,给出了自控切入他控的条件、他控运行内部频率给定方法和他控到自控快速切出的方法,仿真和实验证明该方法达到了高转速精度和快响应速度的目的。为提高永磁同步电动机位置系统对参数变化的鲁棒性能,提出了一种基于状态变换的位置系统鲁棒控制方法,该方法将位置控制器和电机驱动系统视为一体,按鲁棒二次镇定的方法综合设计反馈控制器的参数,并最终得出PI控制器参数和反馈系数,仿真结果表明,系统对参数摄动的鲁棒性能得到了提高。 对永磁同步电动机转子初始位置检测和起动进行了研究。概述了主要的转子初始位置检测方法,指出其存在依赖电机模型和在空载下难以现实的缺陷,针对此缺陷,提出了微小位移式初始位置检测方法,并根据空载和负载情况下转子位移特性不同,分别提出了适用于空载和负载的微小位移法和旋转电压矢量法,实验结果证明,检测结果能够满足电机的起动要求。依据施加的电压矢量方向不同,转子位移方向不同,提出了一种无转子初始位置的自起动方法。


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