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无刷直流电动机转矩脉动控制技术的研究

王海峰  
【摘要】: 随着现代电力电子技术的发展和永磁材料性能的不断提高,无刷直流电动机系统在高性能运动控制领域越来越受到重视。无刷直流电动机系统具有功率密度大、响应速度快、控制灵活方便、使用安全可靠等突出优点,并且本身没有机械结构的电刷换向器装置,不存在电火花及相应的电磁干扰,因而,更适合应用于一些特殊应用场合,如武器系统、航空航天、精密机械、机器人传动以及车辆、船舶和水下航行器的驱动。然而,无刷直流电动机具有较大的转矩脉动,而对于这些应用场合,转矩平滑通常是基本要求。因此,对无刷直流电动机的应用,必须考虑其转矩脉动的抑制问题。 本文从无刷直流电动机及其控制系统的基本结构出发,对转矩脉动及其补偿方法进行了较为细致的分析。针对不同情况,通过改进电机的控制系统,提出了多种补偿转矩脉动的控制方法。主要内容如下: 1、基于定子磁链方程,建立了正弦波无刷直流电动机的一般数学模型。经坐标变换,得出在静止两相(α-β)坐标系和旋转两相(d-q)坐标系下正弦波无刷直流电动机电压方程和转矩方程。 2、分析了正弦波无刷直流电动机i_d=0矢量控制系统的工作原理,介绍了无刷直流电动机转矩控制的基本概念。经对无刷直流电动机系统进行分析,推导并建立了i_d=0控制时整个电机系统的数学模型。 3、对造成转矩脉动的主要成分转矩纹波进行谐波分析,得出在一般假设情况下,无刷直流电动机系统的转矩纹波由电磁转矩的±6n次谐波造成的结论。并进行了仿真验证。 4、对系统相电流存在直流偏差和波形、相位偏差时的电磁转矩进行了研究,得出以下结论:相电流直流偏差会产生与基波频率一致的转矩脉动;相电流基波幅值的偏差会导致2倍基波频率的转矩脉动;相电流ⅴ次谐波会导致(ⅴ±1)次谐波转矩。通过实验仿真验证了上述推导结果的正确。 5、分析研究了转矩脉动补偿的基本原理,得出结论:在定子相电流中加入一定频率、幅值和相位的谐波电流就能消除某一转矩谐波。消除转矩脉动可以通过对定子电流加入谐波的方式完成。分析了谐波加入法消除转矩脉动的原理和 摘要 不足。 6、建立了考虑转子磁链谐波影响的正弦波无刷直流电机的数学模型。基于模型 参考自适应控制原理,设计了一种转矩脉动自适应控制系统。讨论了自适应 控制系统的稳定性。研究了系统的控制性能。讨论了在不同转速下,系统对 转矩脉动的控制效果。利用Matlab/simulink建立仿真模型,对控制性能进行 了验证。 7、为避免对电机转子磁链进行傅里叶谐波分析,根据卡尔曼滤波器原理,设计 了一种电机磁链估计器,在(a一刀)坐标系下,对引起电机转矩脉动的电机磁 链进行估计,并以此估计值设计电机定子电流波形,实现对转矩脉动的控制。 通过仿真对控制效果进行了分析。 8、设计了一种新型干扰观测器,对其控制结构进行了理论分析。以此为基础, 设计了一种基于干扰观测器的转矩脉动控制系统。该系统将负载转矩、转矩 纹波以及由电机参数的变化引起的转矩干扰作为系统干扰,用干扰观测器进 行观测,以此为基础对转矩脉动进行补偿,实现对转矩脉动的抑制。分析了 该控制系统对转矩脉动的控制效果。讨论了该控制器的应用范围。 9、对基于干扰观测器的转矩脉动控制系统进行了改进,设计了一种模糊推理控 制器,根据电机速度和负载转矩的变化调整干扰观测器的增益,保证了转矩 脉动控制系统的控制精度,并扩大了其运行范围。


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