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高性能永磁交流伺服系统及其新型控制策略的研究

窦汝振  
【摘要】:作为数控机床、机器人等的重要组成部分,随着加工制造、汽车等行业的发展,永磁交流伺服系统成为国内外研究和应用的一个重要领域。在对永磁同步电动机(PMSM)的数学模型和控制理论进行全面、深入研究的基础上,本文在PMSM的转矩观测器、直接转矩控制(DTC)和无位置传感器控制方面做了大量的理论和实验研究,并研制开发了一套高性能全数字永磁交流伺服系统。 提出一种基于时延的转矩观测器,克服了传统转矩观测器对电机参数的依赖性,提高了系统抗负载扰动能力,并通过理论分析和实验结果证明了其稳定性和有效性。 给出了PMSM直接转矩控制的实现方法,推导出在电流限制条件下,基速以上采用MTPA(最大转矩/电流)运行时的稳定条件,否则会引起系统失稳。 提出一种基于空间矢量PWM(SVPWM)的PMSM定子磁链定向控制方法,综合了直接转矩控制和矢量控制的优点,可实现电压矢量近似连续调节,有效减小了PMSM的转矩脉动,极大地提高了系统的性能,仿真和实验结果证明了这一结论。 提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的PMSM直接转矩控制方法,有效提高了定子磁通观测的准确性,并对电机参数变化具有较强的鲁棒性。由于卡尔曼滤波器不需要准确的初始值,所以解决了直接转矩控制对转子初始位置的要求,是一种本质上的无位置传感器控制方法,仿真结果证明了该方法的有效性。 提出一种基于自适应滑模观测器的PMSM无位置传感器控制方法,对电机参数和负载扰动具有较强的鲁棒性,利用李亚普诺夫理论证明了该算法的收敛性,仿真和实验结果证明了上述结论。 在上述工作的基础上,研制开发了一套基于TMS320F240的高性能全数字永磁交流伺服系统,并设计开发了相应的上位机监控软件。该系统以空间矢量PWM控制为核心,具有多种接口方式、宽调速范围和良好的动静态特性。


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