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[学位]

永磁同步电机直接转矩控制方法若干关键问题的研究

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Author:

王斌 (王斌.)

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Abstract:

本文的研究内容属于永磁同步电机直接转矩控制领域。永磁同步电机直接转矩控制系统以不含电流环,依赖电机参数少,结构简单,转矩动态响应快,对系统参数摄动、测量误差以及测量噪声鲁棒性强等优点在电气传动、风力发电、舰船驱动等工业领域受到越来越多的重视。本文针对永磁同步电机直接转矩控制所存在的若干关键问题进行了深入探讨,包括转矩与磁链脉动抑制、转子初始位置研究、无速度传感器控制系统的研究。本文的研究背景是基于课题“1.5MW垂直轴永磁直驱风力发电系统”中电机控制策略的后续研究。
传统的永磁同步电机直接转矩控制是基于转矩和定子磁链的滞环控制器的输出和定子磁链位置信号,通过预制的开关表选取合适的电压矢量从而达到控制目标。但是该方法的磁链与转矩的脉动较大,逆变器的开关频率不恒定,开关频率随转速、负载转矩以及磁链和转矩滞环控制器的滞环宽度的变化而改变。针对传统的永磁同步电机直接转矩控制算法的这些不足,本文提出了一种基于无差拍控制思想的永磁同步电机直接转矩控制方案。该方案首先利用永磁同步电机数学模型的转矩方程,反算得到满足给定磁链幅值和给定转矩幅值的期望转矩角;根据此期望转矩角、当前定子磁链的位置角和转子转速,得到下一控制周期期望的定子磁链位置角;然后根据此期望的定子磁链位置角和给定的磁链幅值得到下一控制周期期望的定子磁链矢量;最后根据此期望的定子磁链矢量和当前时刻实际的定子磁链矢量并综合电流矢量对定子磁链的影响,得到在下一控制周期内应该施加的空间电压矢量。这样得到的空间电压矢量将在下一控制周期内同时精确补偿给定磁链幅值与实际磁链幅值、给定转矩幅值与实际转矩幅值的误差,实现了磁链与转矩的无差拍控制。理论分析、计算机仿真和系统实验验证了此方法可以实现优异的转矩与磁链控制效果,与传统的永磁同步电机直接转矩控制对比,具有磁链与转矩脉动小,开关频率固定的优势。并且保持了传统的永磁同步电机直接转矩控制转矩响应速度快的优点。
对于永磁同步电机而言,由于转子为永磁体,所以定子磁链的初始值由转子的初始位置决定,因此基于传统的定子磁链观测方法的永磁同步电机直接转矩控制需要知道转子的初始位置以确定定子磁链的初始值。本文利用状态观测器可以消除被观测量的初始误差的特性,通过构造定子磁链降阶状态观测器的方法来观测定子磁链,使系统运行不需要转子的初始位置信息。首先依据永磁同步电机的数学模型,推导出了定子磁链降阶状态观测器的模型和结构,并给出了使此状态观测器收敛的条件。然后将设计好的观测器分别应用于传统的永磁同步电机控制系统和本文提出的永磁同步电机无差拍直接转矩控制系统中。通过理论分析、计算机仿真和系统实验验证了利用此方法可以在较短的时间内消除初始磁链误差,因此不需要转子初始位置信息就可以准确地观测定子磁链。
本文提出的无差拍直接转矩控制算法以及基于降阶状态观测器的定子磁链观测方法都需要转速信号,为了实现系统的无速度传感器运行,本文提出了基于转子磁链的转速估算方法。此方法具有简单实用,响应快的特点,非常适合应用于控制系统的控制内环。该方法首先根据转子磁链与定子磁链的关系,通过系统观测得到的定子磁链矢量计算得到转子磁链矢量;根据转子磁链矢量得到转子磁链的位置角,然后对此位置角进行微分粗略得到转子的电角速度;最后通过滑动平均滤波滤除转速信号中的高频扰动,得到所需的永磁同步电机的转速。文中推导了这一方法的实现步骤,并给出了在数字化系统中的实现方式。分别将此转速辨识算法应用于改进型直接转矩控制算法和基于降阶状态观测器的定子磁链观测算法中。通过理论分析、计算机仿真和系统实验,验证了此转速辨识算法能够快速准确地得到电机转速;可以与本文提出的无差拍直接转矩控制算法和基于降阶状态观测器的定子磁链观测算法协同工作,不影响改进算法对系统性能的提升;使整个系统实现无速度传感器运行。

Keyword:

降阶状态观测器 无差拍控制 永磁同步电机 直接转矩控制 转速辨识

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学电气工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 王兆安

Year: 2013

Language: Chinese

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30 Days PV: 31

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