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永磁同步电机参数辨识方法与伺服控制技术研究

林瑶瑶  
【摘要】:伺服系统是具有快速响应特性的精密转速控制与定位控制的电机驱动系统。永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有结构简单、功率密度高、效率高、可靠性高、体积小和重量轻等优点,结合交流伺服控制方法,使其可以满足高性能、高精度运动控制场合的要求。国内外交流伺服控制器的主要发展趋势是位置、速度、力矩全数字化高精度控制。然而,永磁同步电机作为一个非线性、多变量、强耦合的控制对象,存在很多不利于实现高精度三闭环控制的因素,包括电机参数耦合,速度反馈精度低,初始位置不准确和外部干扰等。为改善交流永磁同步电机三闭环伺服驱动系统的性能,需要使系统能实时准确获取电机关键参数,以提高三闭环的控制能力。本文针对速度位置检测,转速控制,初始位置检测,电机重要参数辨识等关键技术开展了一系列研究,以提高永磁同步电机三闭环伺服控制系统性能,并研制了交流伺服器的软硬件系统。主要研究工作如下:(1)为提高伺服器度检测精度和稳定性,通过分析M法、T法和M/T法的测速原理,测速实时性以及在不同速度区间的测速精度,提出了一种带有降噪滤波功能的改进型T测速算法,使其更适合基于增量式光电编码器的通用交流伺服系统。进一步研究了伺服系统反馈位置脉冲所带毛刺信号和测速干扰误差对T法测速精度的影响,通过限幅滤波与分段式限速滤波相结合改进了传统T测速法,消除了毛刺信号引起的误差,采用数字低通滤波算法减小测速干扰误差。在低速运行时采用定时器预定标因子自适应算法有效扩展了测速范围。最后设计了转速测量电路和软件程序,T测速法全速段实验验证了该测速系统在不同运行区间的速度检测效果,有效滤除了干扰误差,提高了系统测速性能,使伺服器速度环具有更好的响应特性。(2)针对无位置传感器永磁同步电机初始位置检测精度低的问题,提出一种将脉振高频电压注入法和等宽电压脉冲法相结合的辨识算法。向电机的同步旋转坐标系注入高频低幅的余弦交流电压信号作为激励源,通过检测不同估算角下响应电流极大值与极小值的差值来获得转子初始位置,解决了传统脉振高频法由于直接比较响应电流造成的辨识结果不准确的问题。对转子位置从0到360°的脉振高频注入法辨识结果进行线性拟合,建立辨识结果模型以提高正常启动时位置辨识精度,同时还给出了转子处于不同角度区间的辨识精度。针对脉振高频注入法辨识结果在360度范围内有双解的问题,给出了一种利用增磁原理的等宽电压脉冲法。向三相定子绕组分别注入6相等宽电压脉冲,通过比较响应电流绝对值的大小可辨识出转子磁极的指向区域,即校验了脉振法辨识结果又确定了 N极的真实位置。最后实验结果证明该方法能够在静止状态下快速、准确的检测出转子初始位置,所有位置辨识实验结果测量精度都在±7°以内,满足电机带负载可靠起动的要求,同时还给出转子初始位置检测精度可以达到±3°以内的位置区域。(3)针对面贴式交流永磁同步电机多参数实时辨识容易误收敛的问题,将实际电机的dq轴电压方程作为参考模型,将含有辨识参数的电机dq轴电压方程作为可调观测模型,提出了一种基于模型参考自适应控制(Model reference adaptive control,MRAC)的多参数辨识算法。同时,为保证辨识参数准确可靠收敛,采用波波夫超稳定理论来设计自适应律并通过数学推导证明该自适应律可以使系统收敛。针对因方程数少于待辨识参数所引起的多解问题,提出根据参数变化情况,自适应的分配向d轴注入不同控制指令的时间,使电机的非线性辨识模型构成满秩,有效解决了辨识系统直接采用传统模型参考自适应算法辨识造成的参数不收敛或错误收敛的问题。为减少辨识结果波动,引入了数字低通滤波器。将该参数辨识算法加入到交流永磁同步电机三闭环伺服驱动器的电流环中,并进行了多种运行状态下的性能测试实验。通过分析实验结果可知,所提算法可有效实现交流永磁同步电机稳态参数辨识,辨识结果稳定收敛,而且对突然发生剧烈变化的参数也可以有效跟随。最后,针对交流永磁同步电机现场运行要求,设计了一款高精度通用型伺服器的主要软硬件系统,实现了基于SVPWM算法的永磁同步电机三闭环控制的稳定运行。同时为提高永磁同步电机三闭环伺服驱动器速度环的响应和抗干扰能力,在传统速度环基础上加入了带有Bang-Bang控制的前向抗积分饱和PI速度调节器;将参数辨识结果应用于三闭环调节器PID参数计算,提高了三闭环控制器的动静态性能。将所提算法加入到该基于DSP(TMS320LF2812)的伺服器中,并对该伺服器进行了位置控制、速度控制、转矩控制等多维度的实验,给出了实验波形。实验结果表明该三闭环伺服器驱动永磁同步电机性能稳定可靠,满足工程实际需要,可以实现较高精度的转矩、位置和速度伺服控制。


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