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永磁同步电机直接转矩控制技术研究

樊明迪  
【摘要】:永磁同步电机直接转矩控制有着优异的动态性能,在工农业生产和航空航天中均有应用。论文以舵机负载模拟系统和高频响弹载电动舵机伺服系统为主要研究背景,以保证永磁同步电机的优异转矩动态性能为前提,以提高永磁同步电机的伺服性能为目标,研究了永磁同步电机直接转矩控制中的相关问题,论文的主要研究工作和贡献如下: 1.直接转矩控制在永磁同步电机中的应用,目前还没有如同矢量控制那般广泛,控制策略一般采用定子磁链幅值恒定的方法,也有部分文献提出采用最大转矩电流比的控制策略。本文考虑到弹载系统中对重量和体积的苛刻要求,提出了一种永磁同步电机直接转矩控制下单位功率因数运行的方法,该方法可以降低电机对逆变器容量的需求,进一步降低了逆变器的重量和体积。同时,考虑到直接转矩控制本身没有电流环,无法像矢量控制那样直接对电流进行限制,给出了限制定子电流的详细计算方法。仿真结果表明该方法在使永磁同步电机直接转矩控制系统单位功率因数运行的同时,没有损失直接转矩控制自身的转矩快速性。 2.由于齿槽转矩、纹波转矩、电流的偏置与放大误差等导致永磁同步电机直接转矩控制系统中存在周期性转速脉动,这严重影响了高频响弹载电动舵机伺服系统的速度伺服性能。针对这一问题,提出在传统PI速度控制器中增加迭代学习控制的方法,通过迭代学习控制在线补偿转矩给定来抑制周期性转速脉动,并证明了该方法的收敛性。本方法是对传统直接转矩控制改进的有益尝试,目的是为了在保留直接转矩优异动态性能的基础上,抑制周期性的转速脉动,拓展直接转矩控制技术在永磁同步电机高性能速度或位置伺服中的应用能力。 3.以舵机负载模拟系统为研究背景,针对加载电机在高转速高负载情况下容易失步的问题,分析了传统直接转矩控制无法避免电机失步的原因,提出了一种有限控制集合模型预测直接转矩控制的方法来解决失步问题。本文提出了一种永磁同步电机状态空间预测模型精确离散化的方法,提高了预测精度,且模型计算量小,可以在线计算;针对预测过程中的延时问题进行了补偿;通过在评价函数中增加负载角限制函数解决了失步问题。本文对该方法进行了仿真研究,并搭建了实验系统,验证了该方法的可行性和有效性。该方法有效地解决了永磁同步电机的失步问题,并且在该方法下永磁同步电机的动态响应和稳态精度均优于传统的直接转矩控制,该方法的提出将为拓展直接转矩控制在永磁同步电机中的应用提供有力支撑。 4.针对电流测量过程中的偏置误差和比例误差所带来的周期性转矩脉动,提出了一种在有限控制集合模型预测直接转矩控制上增加迭代学习补偿的方法来抑制转矩的脉动。本文分析了连续控制集合模型预测直接转矩控制的设计过程,并利用矢量量化算子将连续控制集合优化问题转为有限控制集合优化问题。然后,利用迭代学习控制对电流测量误差进行在线补偿,并证明了方法的收敛性。该方法中,模型预测控制侧重给定轨迹的跟踪,而迭代学习控制侧重对周期性干扰的抑制,本文进行了仿真研究,验证了方法的有效性。采用该方法,系统可以保留直接转矩控制的优异动态性能,且在抑制转矩脉动后,转矩的稳态精度也有所提高。无论是针对舵机负载模拟系统类似的力矩伺服,还是针对弹载电动舵机系统类似的位置伺服,本方法均有应用意义。


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