交流永磁同步電動機(jī)的精確模型與非線性控制的研究.pdf

1、交流永磁同步電動機(jī)具有高效率、高功率密度、高可靠性、控制特性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在國防、國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。建立交流永磁同步電動機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量的精確分離，提高電磁轉(zhuǎn)矩控制的快速性與準(zhǔn)確性，然而磁路飽和、交叉耦合、鐵心損耗等都在不同程度上影響著模型精確性。 本文以高性能的速度伺服系統(tǒng)為目標(biāo)，在交流永磁同步電動機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型、齒槽力矩分析與抑制、非線性控制策略等方面進(jìn)行了較為深入的

2、系統(tǒng)研究。交流永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計、分析系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)性能的基礎(chǔ)，并且能夠為改善交流永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)的性能提供理論依據(jù)。磁場分布的復(fù)雜性以及磁路飽和使得交流永磁同步電動機(jī)的電感有別于普通同步電動機(jī)。鐵心損耗也是交流永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型中的一個重要參數(shù)。采用傳統(tǒng)的矢量控制策略時，通常忽略鐵心損耗的影響。本文采用數(shù)值法定量分析了不同負(fù)載情況下交、直軸電感與電流的關(guān)系；采用損耗分離的方法，計算了考慮旋轉(zhuǎn)磁場作用的

3、交流永磁同步電動機(jī)的鐵心損耗。在上述分析的基礎(chǔ)上，建立了考慮磁路飽和與鐵損時交流永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，該模型的精確度較高，可以提高矢量控制系統(tǒng)的力矩控制精度。高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)需要良好的力矩控制，而轉(zhuǎn)矩脈動會引起電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動，降低速度或位置控制系統(tǒng)的控制精度。齒槽力矩是轉(zhuǎn)矩脈動的一個重要成分，有效地抑制或消除齒槽力矩具有重要的意義。本文在分析永磁電機(jī)齒槽力矩的產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用極槽配合法抑制永磁電機(jī)的理想齒槽力矩。采用了數(shù)值法

4、定量分析了電機(jī)制造過程中的定、轉(zhuǎn)子缺陷產(chǎn)生的非理想齒槽力矩。并采用了磁鋼形狀優(yōu)化法、閉口槽法和定子齒冠開槽法抑制非理想齒槽力矩。試驗結(jié)果表明，磁鋼形狀優(yōu)化法可以有效抑制齒槽力矩的高次諧波，而閉口槽法與定子齒冠開槽法可以有效抑制非理想齒槽力矩。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，可以結(jié)合極槽配合法與定子齒冠開槽法將齒槽力矩抑制到一個合理的范圍內(nèi)。矢量控制理論是實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩有效控制的基礎(chǔ)。本文運(yùn)用數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)了交流永磁同步電動機(jī)的數(shù)字化矢量控制。研究

5、了一種快速空間矢量脈寬調(diào)制法，并運(yùn)用到交流永磁同步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流控制。采用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)交流永磁同步電動機(jī)的速度控制，并采用加權(quán)臨界靈敏度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。試驗結(jié)果表明，本文所采用的快速空間矢量脈寬調(diào)制法運(yùn)算量少、執(zhí)行速度快，實(shí)現(xiàn)了電流的快速無靜差控制。本文設(shè)計的速度調(diào)節(jié)器可以顯著降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速超調(diào)，取得較好的穩(wěn)態(tài)性能。采用線性控制策略的交流永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠理想，為此本文將一種先進(jìn)的非線性控制策略——自適應(yīng)反

6、步控制及其改進(jìn)方法——動態(tài)表面控制應(yīng)用到交流永磁同步電動機(jī)中，通過結(jié)合自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量、摩擦系數(shù)、負(fù)載力矩等不確定機(jī)械參數(shù)和逆變器非線性、永磁體磁鏈等不確定電氣參數(shù)的自適應(yīng)估計。采用一種新穎的負(fù)載力矩自適應(yīng)估計法，有效抑制初始速度跟隨誤差大對速度響應(yīng)的影響。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性，本文采用滑模估計器進(jìn)行不確定電氣參數(shù)的辨識，而采用遞推二乘法進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量辨識。試驗結(jié)果表明，自適應(yīng)反步控制可以實(shí)現(xiàn)交流永磁同步電動機(jī)的無超調(diào)轉(zhuǎn)速控