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基于非线性补偿的永磁同步电机转矩脉动抑制方法研究

于子淞  
【摘要】:永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高、性能好等一系列优点。随着高性能永磁材料的发展与电机制造技术的进步,永磁同步电机在电气产品、交通运输、工业以及国防等领域得到了非常广泛的应用。虽然永磁同步电机具有诸多优点,但仍然存在一些影响其输出性能的问题值得研究和讨论,其中之一就是转矩脉动问题。永磁同步电机驱动系统由VSI(Voltage source inverter,VSI)供电,VSI非线性畸变将导致电机电流畸变,进而使电机产生转矩脉动和增大电机损耗。电流测量系统产生的电流测量误差可等效为电机参考电流,因此,电流测量误差将导致电机电流控制不准确,这也将使电机产生转矩脉动。此外,永磁同步电机固有的齿槽转矩问题使电机输出转矩存在脉动。本文的研究工作主要针对以上三个引起电机输出转矩脉动的问题,提出相应的控制策略以抑制电机转矩脉动。具体工作归纳如下:(1)根据系统扰动产生的机理,建立了使永磁同步电机产生转矩脉动的系统扰动模型。这些系统扰动模型分别为:VSI非线性畸变模型、非线性电流测量误差模型和齿槽转矩模型。将基于传统级联PI控制器的矢量控制系统转化为系统扩展误差空间模型,分析了基于传统级联PI控制策略的永磁同步电机控制系统在VSI非线性畸变、非线性电流测量误差和齿槽转矩作用下出现转矩脉动的本质原因。(2)考虑了 VSI非线性畸变和数字控制器固有的一个采样周期输入延时问题,提出一种永磁同步电机的自适应预测比例-积分-谐振电流控制策略。该方法能够在电机电阻和电感参数未知的情况下渐近稳定地预测电流控制误差和VSI非线性畸变电压,将所得预测值执行反馈控制,可有效抑制VSI非线性畸变和控制器输入延时产生的转矩脉动。(3)为抑制齿槽转矩和VSI非线性畸变对电机转速和电流控制的影响,提出一种带自适应补偿器的永磁同步电机积分型连续分式滑模控制策略。该方法利用连续分式函数近似传统滑模控制中的切换函数,抑制了传统滑模控制中的控制器输出抖振现象。利用滑模控制器对非线性扰动的鲁棒性抑制VSI非线性畸变。自适应补偿器可有效减轻滑模控制器增益的负担和增强控制器对齿槽转矩的抑制作用。(4)针对表贴式永磁同步电机驱动系统中存在的非线性电流测量误差问题,提出一种带积分型偏差补偿器的复合PI转速控制器。该方法将非线性q轴电流测量误差等效为非线性负载电流,通过非线性补偿器抑制非线性负载,进而抑制了非线性电流测量误差对电机转速控制性能的影响。同时,引入积分型模型预测控制算法控制电机电流,积分型模型预测控制可消除相电流的零电流钳位现象,提高电流控制精度。


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