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高性能永磁同步电机直接转矩控制

孙丹  
【摘要】: 本文论述了永磁同步电机直接转矩控制的最新发展,分析了从基础理论到最新的控制算法的有关永磁同步电机直接转矩控制的许多问题。上述理论分别在浙江火学电机控制实验室以及悉尼科技大学电机及电力电子中心的两台高性能永磁同步电机直接转矩控制驱动系统上应用并实验验证。 针对永磁同步电机常规直接转矩控制系统涉及到的问题,本文研究了其修正,以及改进的方法。定子电阻变化,直流母线电压漂移,开关器件反向相电压降、逆变器死区时间引起的电压误差的补偿,提高系统稳态运行性能以及永磁同步电机直接转矩控制的无速度传感器运行方案等问题都是本文研究的重点。 转矩的快速响应是直接转矩控制算法的一个卓越的性能。在常规永磁同步电机直接转矩控制中,转矩的控制是直接根据转矩、定子磁链参考值与实际值之差为输入的两个滞环控制器的输出,定子磁链位置信号以及一个最优电压矢量开关表而选择一个最合适的电压空间矢量进行的,无需其它控制算法中经常用到的电流控制环。 本文首先讨论了在永磁同步电机常规直接转矩控制中常见的问题。在常规直接转矩控制系统中,定子磁链是通过直接积分电机端部输入电压与定子电阻压降之差计算得到的。电机端部的输入电压又是通过电机直流母线电压和逆变器的开关状态综合得到的。因此,输入电压的准确计算、直流漂移量的补偿以及定子电阻变化的补偿都是影响积分计算准确性的重要因素,这些误差会导致定子磁链轨迹的偏移,进而降低系统转矩控制的性能。 在常规直接转矩控制系统中,每一采样周期中只施加一个电压空间矢量。这将导致转矩和定子磁链较大的脉动以及逆变器开关频率的不恒定。为提高系统的稳态性能,本文首次引入模糊逻辑到永磁同步电机直接转矩控制中。在永磁同步电机的模糊直接转矩控制中,一个高性能的模糊控制器取代了常规直接转矩控制中必须的两个滞环控制器和一个电压空间矢量最优开关表。同时为减少计算时间提高系统性能,还采用了定子磁链角度映射的方法。 常规直接转矩控制中,在一个采样周期中选择任何一个电压空间矢量都无法同时满足转矩和定子磁链的要求。为进一步提高系统的性能,本文将空间矢量调制的方法引入常规直接转矩控制中。空间矢量调制算法可以根据转矩和磁链控制的需要提供除基本的八个电压空间矢量之外更为精确的连续电压空间矢量,进而提供更精确的转矩及磁链的控制。 无需速度传感器反馈信号是本直接转矩控制的一个优异的特性。然而在一个高性能的速度闭环控制系统中,速度反馈信号又是必须的。而无速度传感器方法对于降低系统成本提高系统可靠性非常有利。本文提出了一个以转子磁链矢量为基础的永磁同步电机直接转矩控制速度估计方法,该方法同样适合应用于模糊直接转 矩控制和空问矢量调制直接转矩控制中。为得到完全的高性能无速度系统,采用 了一个滤波器来平滑估计转子速度信号的噪音。这种方法除需要直接转矩控制系 统中已有的传感器外无需额外添加传感器。同时因为计算量较小,该算法甚至可 以在低速微处理器系统中实现。无速度传感器模糊永磁同步电机直接转矩控制系 统的仿真和实验结果验证了本文提出方法的正确可行。


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