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永磁同步电机工程伺服系统若干关键技术研究

鲁文其  
【摘要】:永磁同步电机具有转矩脉动小、转矩/惯量比大、效率高等优点,在现代交流电机中占有举足轻重的地位。近年来随着电力电子技术、控制技术、电机技术等的发展,永磁同步电机伺服系统正朝着大功率工程化方向发展,本文称这类大功率工程应用的伺服系统为永磁同步电机工程伺服系统,它有一些特殊的关键技术,如重载驱动、大功率、抗扰动、无传感器等。本文针对其中的三个关键技术:重载驱动技术、抗扰动自适应控制技术和无位置传感器控制技术进行了一些研究和探索。 重载驱动技术是提高传统机械压力机柔性化水平的核心技术,本文以曲柄伺服压力机为对象展开永磁同步电机工程伺服系统的重载驱动技术研究。首先介绍了曲柄伺服压力机样机和重载伺服驱动系统各自的设计方案,以永磁同步电机和电容储能装置的组合(本文称之为重载系统)取代传统机械压力机的异步电机和机械飞轮-离合器组合。在此基础上,对压力机的负载特性作了分析,为使设计的永磁同步电机工程伺服系统够满足压力机重载驱动的动力要求,对重载系统的若干关键参数进行了理论分析,并提出了参数近似计算的方法及解析公式。为节约开发成本及周期,对尚未建立起来的系统进行方案及可行性分析,基于C++Builder和Matlab开发了曲柄伺服压力机机电一体化的仿真软件。以一台80吨的曲柄压力机为应用对象,对电容储能参数与电机运行速度之间的规律进行了探索,提出了适合伺服压力机局部可控运行的电容储能参数设计方案。基于该方案,分析伺服电机的恒速驱动模式,提出了电容组储能参数选取的设计方法及一组较合理的参数。在此基础上,为实现压力机的变速驱动和多适应能力,重点对伺服驱动器的控制参数和压力机的出力能力作了详细分析,并给出了重要结论。本文设计该驱动系统硬件装置(试验平台1)进行了仿真和试验验证。结果证明,本文提出的参数解析公式和设计方案是合理的,开发的仿真软件是正确的,基于伺服电机恒速和变速驱动仿真分析所得的结论也是准确的。据此研制的电容储能硬件装置作为压力机冲压加工的一套蓄能装置,不仅实现了传统机械压力机机械飞轮的助力功能,而且减缓了冲压过程峰值电流对电网的冲击。基于该蓄能装置的永磁同步电机工程伺服系统能够满足压力机重载驱动的动力和控制要求,这为进一步实现重载系统参数的优化和提高机械压力机的柔性化水平奠定了基础。永磁同步电机工程伺服系统由于功率大、负荷重、工作现场条件恶劣,其性能常会受到负载特征参数变化(视为扰动)的影响。本文以抑制负载力矩和惯量扰动为目标,基于为抑制某种扰动而采用先辨识该扰动再进行补偿或自整定的思想,提出了一种具有抗扰动功能的自适应控制方法。其中基础性问题是扰动的有效“观测”,针对时变惯量,设计了基于朗道和梯度思想的两种辨识方法,针对时变负荷,提出了一种简单的降维负载观测器对负载力矩作辨识。构造了各自算法的仿真模型,并设计了交流电机控制平台(试验平台2),以一台面贴式永磁同步电机为对象作仿真和试验研究,结果验证了各自算法的正确性,朗道算法的收敛时间优于梯度算法,梯度算法的辨识精度高于朗道算法;负载力矩观测器能够有效的辨识出负载力矩的大小,且动态响应性能较好。本文提出的自适应控制方法采用朗道算法作惯量的辨识,并用辨识得到的结果去调整控制器参数;同时将负载观测器辨识得到的结果前馈补偿到交轴电流侧。由仿真和实验结果知,基于朗道算法的参数自整定方法能够在惯量变化时作控制器参数的自调整,相比无参数自整定的系统,速度响应性能得到提升。用辨识得到的负载力矩值对变载引起的速度扰动作补偿,同样改善了速度响应性能。因此,本文提出的自适应控制方法对惯量和负载力矩扰动都具有抑制作用,能够应用在一些时变负荷、慢变惯量的驱动场合。 在环境条件比较恶劣的工作场合,为解决物理传感器存在而引起永磁同步电机工程伺服系统在应用时出现的局限性问题,本文首先对永磁同步电机无位置传感器控制的关键技术——转子位置的估算展开研究。研究了适合中高速场合运行的估算方法——滑模观测器,目的是扩展其低速运行领域。鉴于目前所查资料中,针对基于传统数学模型滑模观测器作改进的一些方法中存在的问题,本文提出了一种新的基于数学模型改进的滑模观测器算法,它将估算反电势负反馈引入到传统定子电流观测器的数学模型中,通过选择合适的反馈值可以提高低速时转子位置的估算精度和中高速时系统的稳定性;文中构造了系统的仿真模型,以一台面贴式永磁同步电机为对象,基于试验平台2进行了分析。实验结果显示,传统滑模观测器能够实现转子位置估算的最低速度为50r/min,而同样条件下数学模型改进型滑模观测器的低速可以扩展到8r/min;中高速运行时估算精度及稳定性较好,且该算法对负载变化具有很强的鲁棒性。研究了适合零速场合运行的估算方法——电压脉冲矢量法,详细的分析了其检测原理及实施策略,并设计了控制器(试验平台3)作测试,结果验证了算法的有效性。 其次,在前面对基于数学模型改进型滑模观测器的转子位置估算理论作验证的基础上,为实现永磁同步电机工程伺服系统的无位置传感器闭环矢量控制,本文提出了电机在宽转速范围运行时转子位置信息估算的自适应控制方法——反电势反馈增益系数的自适应律。对于转子速度,本文采用锁相环进行控制。为验证算法的有效性,本文基于试验平台2作了测试。实验结果显示,基于自适应律和锁相环控制的数学模型改进型滑模观测器能够在永磁同步电机较低速(5r/min)运行时准确的估算出转子位置和速度;基于该算法的无位置传感器矢量控制调速系统,在中高速领域变速运行,动态响应较好,估算转子位置和实际转子位置重合;在低速领域,估算转子位置能够有效的跟踪实际转子位置,15r/min(1%额定转速)以上的速度范围内无位置传感器控制可代替传感器控制,该无位置传感器矢量控制系统具有调速范围宽、鲁棒性强的特点。


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