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永磁同步电动机伺服系统的干扰抑制方法研究

时间:2020-09-11 19:13 | 栏目:工程管理 | 浏览:

硕士论文网第2020-09-11期,本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇工程管理文章《永磁同步电动机伺服系统的干扰抑制方法研究》,供大家在写论文时进行参考。
  由于永磁同步电机在运行时,会因为齿槽转矩、磁通谐波和电流测量误差等的原因产生周期脉动,产生扭矩振荡和速度波动,进而阻止电机平稳运行并影响电机的性能。通过重复控制在运行时不受模型不确定性影响的优势,将永磁同步电机的实时跟踪性能进行优化,提供了一种重复控制算法,利用动态规划理论和迭代策略,设计出最优控制器,以减少周期性转矩脉动。重复控制与现有的比例积分(PI)电流控制器结合使用,并在每个周期之间迭代生成补偿参考电流,以使均方转矩误差最小,满足稳态速度和调节系统动态性能的要求。

  第一章 绪论 

  1.1  研究背景及意义
  1821 年,丹麦物理学家奥斯特发现电流磁效应,在此后的十年内,法拉第发现了电磁感应现象,并通过圆盘切割永磁体产生的磁场产生电流建立了电动机模型。法国发明家皮可西发明了一台永久磁铁交流发电机,将交流电转换为直流电,与此同时,楞次提出了著名的楞次定律,证明发电机和电动机是可逆的,两者的研究是互通的,而在此之前,电动机的研究和发电机的研究一直都在独立发展。随后的过程中,德国亚哥比制造出的第一台直流电动机拖动了涅瓦河的一艘小艇,之后电机进入全世界人的眼球。伴随着电机的诞生,人类从蒸汽时代迅速进入电气时代。在一百多年发展过程中,电机的发展极大地提高了人类的生产力,促进了整个人类文明进步的快速发展。20 世纪下半叶人类依靠信息技术又引发了第三次技术革命,使得生产和消费从工业化向自动化、智能化的时代迅速转换,以电机作为基础的电动机械能依然是当今工业网社会发展的基础。近年来,随着中国国民经济水平的飞速发展,国民对物质生活水平的需求提高,促使各大行业发展。各种“高精尖”的技术也深入各行各业。为适应经济的建设,能源与动力的新技术与新工艺也需要不断提高。电机已深入到各行各业,在日常应用中,汽车、地铁、电梯、抽水机等与人们生活息息相关的产物都与电机有关。高端应用领域包括航天器、无人机、自动车床、机器人等也与电机系统密不可分。2015年为了实施实施制造强国战略,中国提出“中国制造 2025”,信息产业、轨道交通和新能源技术等多个重点领域是我国未来几年主要发展方向,而电机行业无一不与之密切相关。从上世纪八十年代,一些工业强国伺服控制已经开始研究,我国起步较晚。随着我国工业发展需求,不得不大量引入国外先进设备。因此,电机控制研究迫在眉睫。电机的种类繁多,根据结构原理可以分为直流电机、异步电机和同步电动机。直流电机又分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。异步电机可分为感应电机和交流换向器电机。同步电机分为励磁同步电机和永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)。直流电机以直流电为电源,在带有永久磁铁的线圈通入直流电,通过电刷换向原理产生旋转磁场。直流电机只需要对电压进行控制,不需要对频率控制就可以产生较高转速,同时直流电机的体积小就可以输出较大功率。正因为直流电机结构简单,易于控制的特点,使得直流电机在上个世纪初期处于垄断地位。19 世纪 70 年代,随着人们社会生产对电机的需求增加,直流电机不能换向的问题突出,需要采用变频设备实现调速,增大了系统成本,促使交流电机的发展。到目前为止,交流电机依然是使用范围最广、用量最大的电机。交流电机通过启动绕组和运行绕组产生的旋转磁场生成感应电流,转速和频率成正比。由于交流电机异步电机寿命长、可靠性高、可高速运行和变频调速的特点使得其在交流领域中广泛应用。异步电机常用于小型设备,以三相交流电作为电源,通入三相定子绕组产生旋转磁场,转子切割旋转磁场产生感应电动势,根据电磁定理转子受到电磁力产生电磁转矩。异步电机通过转速差率实现转子励磁,定子电流中有一部分转化为励磁电流分量,但在低速运行时,电机励磁磁场较弱,转矩输出能力低,动态响应差。同步电机又分为励磁同步电机和永磁同步电机,其中励磁同步电机需要励磁系统,能量转化效率低,永磁同步电机通过永磁材料铁氧体、稀土永磁体、复合永磁体等代替电机转子励磁绕组,无需对电机单独励磁。随着日益增长的物质文化提高,人们对电机控制有了更高的要求。人们需要更高效、更稳定、更精准的大功率电机,与其他电机相比,永磁同步电机具有结构简单,能量利用率高,可高速运行的特点,是一种功率密度更大和效率转换更高的大功率电机。永磁同步电机已经在航空航天、地铁机车、复合电机等多个领域广泛应用,前景可期。
  1.2 国内外研究现状
   电机控制是电机系统的核心,电机的稳态响应、动态响应、可靠性、速度与转矩响应与控制算法的性能密不可分。20 世纪 60 年代,永磁体铁氧体、铝镍钴材料出现,使永磁体得以在电机方向的应用,但其价格过高,不适合广泛应用。80 年代,出现了钕铁硼(REFEB)永磁材料,其价格低廉,性能较好,从而永磁电机也得以发展。随着永磁同步电机内部结构和调速性能的不断优化,电机控制算法理论研究也得以很好的发展。根据永磁同步电机控制策略发展的时间顺序,永磁同步电机控制策略主要可以分为以下几种:(1)恒压频比(Variable Voltage and Variable Frequency, VF 或者 U/F),恒压频比通过对电压幅值和频率的值恒定,保证电机内部磁通不变。通过这种方式只需要对电压和频率进行控制,也不需要电机模型参数,就可以得到理想的转矩和速度。在恒压频比控制方式下,转速与供电电压的基波幅值呈正比增加,控制方式简单,从而减少了系统的搭建成本。但是作为一种开环控制方式,恒压频比不需要电流和转速的实际值,只从稳态公式出发,推测平均值,不能矫正误差信号,很容易将误差放大造成脉冲和谐波分量的增加,不能达到较好的动态性能和高精度追踪。恒压频比控制常用于低精度下便捷控制,如水泵、风机等。部分学者通过对非线性系统的研究,采用一些智能控制策略对恒压频比控制进行补偿修正,例如文献通过神经网络对恒压频比控制方式进行补偿,实现高性能控制要求。(2)磁场定向控制(Field Oriented control,FOC),磁场定向控制是在 20 世纪 70 年代早期由不伦瑞克工业大学的 Hasse 在博士论文中提出,西门子公司的 Blaschke 补充系统理论,经过日本学者进一步研究发展起来的,又称矢量控制。它的控制思想就是以交流电机空间矢量方向为坐标系,将电机定子电流实现正交分解,实现对励磁电流和转矩电流的分解,进而实现磁通和转矩的解耦,可以对交流电机的控制转换成类似对直流电机的控制方式。由于早期的计算机运行速度低价格昂贵,矢量控制技术并没有的到广泛应用,近年来,由于集成电路技术的进步,目前已成为高效实用的控制方法,对电力电子技术和电机控制系统巨大变化。根据不同的电机结构和控制需求,矢量控制又可以分为 0di =控制、最大转矩电流比控制、cos =1控制等。对于表贴式永磁同步电机, 0di = 控制策略可以保证单位电流中的最大转矩输出。在内嵌式永磁同步电机最大转矩电流比控制可以保证单位电流中的最大转矩输出。本章着重介绍了永磁同步电机的研究背景和意义,通过对比突出永磁同步电机的优势。接下来分析了基本的永磁同步电机控制策略,分析现有的永磁同步电机扰动抑制方法的优点和存在的不足,最后说明了本文的创新点和文章结构安排。

  第二章  永磁同步电机数学模型及基本控制策略

  作为一种多变量、多耦合、高阶的非线性系统,要直接对永磁同步电机控制是比较困难的。对了为永磁同步电机转速和转矩进行很好的控制,需要推导出永磁同步电机详细结构,分析其在不同坐标系下的数学模型、静态特性以及动态特性。本章通过构建永磁同步电机的物理模型,分析定子电压、电流、磁通之间关系,将不同坐标系下的数学关系进行转换,可将复杂的电机模型转化为对电流的直接控制,这样就可以类似直流电机的控制方式对永磁同步电机进行控制。结合简化后的永磁同步电机模型进行矢量控制和空间适量脉宽调制技术,为后续研究做铺垫。
   2.1  永磁同步电机的结构及分类
  永磁同步电机的物理结构与异步电机相似,都是由定子和转子组成。定子是指定子绕组和定子铁芯,转子是指转子铁芯和永磁体,这一点与异步电机的转子不同,异步电机的转子是转子铁芯和转子绕组。永磁同步电机的磁场通过永磁体产生,而异步电机的磁场由励磁电流产生,会造成励磁损耗。永磁同步电机定子铁芯和转子铁芯都是采用叠片式结构,以减少电机运行时的损耗。永磁同步电机因在运动性能、制造工艺和控制方法的不同,会将钕铁硼(REFEB)永磁材料安在不同的位置。如图 2-1 可以分为以下三种类型。图 2-1(a)为表贴式永磁同步电机,永磁材料安置在外表面上,结构相对来说不是特别复杂,比较容易实现。正是由于这样的结构,永磁材料的磁场导通效果等效于空气导通效果,使得在同步坐标系下的电感相等。该电动机的等效气隙较大,电枢反作用力较小,不会产生额外的负载转矩,称为隐极转子结构。表贴式转子结构如果采用稀土永磁材料,磁导率接近 1,可以使电机的气隙磁通密度波形趋于正弦波分布。但是由于表贴式电机的永磁体在外面暴露,受到空气的氧化之后磁性下降,同时在受到高速旋转离心力下,永磁体可能脱落。图 2-1(b)为内置式永磁同步电机,永磁材料放置在转子内部,永磁材料的磁场导通效果优于空气导通效果,q 轴磁阻没有 d 轴磁阻大,属于凸极转子结构。永磁材料没有直接暴露在空气中,转轴对永磁材料有一定的保护作用,可以使系统在使用寿命上增加,同时凸极转子结构的永磁同步电机会产生大量磁阻转矩,在电机过载能力和转矩密度有很好提升,因此具有很好的动态响应。 图 2-1(c)为嵌入式永磁同步电机,也属于凸极转子结构。永磁体安装转子内部,具有很高的气隙密度,但是由于制造工艺复杂,并不广泛适用。
永磁同步电机分类。(a)表贴式;(b)内置式;(c)嵌入式
  2.2  永磁同步电机的物理模型
  为了更好的对数学模型进行分析,一般做出以下假设:(1)  电机的定子铁心没有饱和效应,定子绕组对称分布,角度差为 120°;(2)  转子上无阻尼绕组,不计涡流和磁滞损耗;永磁材料产生的永久磁场正弦分布没有谐波效应;磁场在气隙中呈正弦分布;(3)  忽略其他外部条件对电机的影响,如温度、湿度等。在以上条件下可以对极对数为 1 的内置式永磁同步电机构建物理结构。根据安培定律,把三相绕组产生的磁场定为正方向,规定逆时针方向为转速的方向。可以得到电磁转矩与转子转速同向,负载转矩与转子转速反向,永磁体所形成的磁场方向为 d-轴,逆时针 90°为 q-轴,q-轴与 d-轴正交。可以得到如图 2-2 在 ABC、αβ 及 d-q 坐标系下的物理模型,其中ω和θ为转子的角速度和角位移。在三相定子绕组中通以三相交流电源,会产生旋转磁场,转子在旋转磁场中受到切向力,将进行同步旋转,同时产生电磁转矩,由此可以得到,在稳定运行时,电机转速和定子电流频率具有直接关系。在三相静止坐标系中永磁同步电机的数学模型相对来说是一个比较复杂的系统,在电机转子运行中,电压和磁通量都是随着转子位置变换而变动的,并且都是非线性函数。在三相静止坐标系中是很难进行直接控制的,因此需要对其进行解耦简化。通过对永磁材料按照位置不同进行分类,对永磁同步电机进行物理模型分析,介绍了永磁同步电机与异步电机的优势对比。在不同的坐标系下转换,将永磁同步电机的数学结构进行简化。通过对 SVPWM 算法的分析,对电机驱动有了进一步认识。最后研究了 0di = 下矢量控制的算法及其设计过程。
永磁同步电机物理模型

  第三章 基于重复控制的永磁同步电机转矩脉冲抑制研究

  3.1  永磁同步电机的不确定性分析
  3.2  永磁同步电机重复控制理论分析
  3.3  永磁同步电机重复控制器的设计
  3.4  重复控制仿真分析
  3.5  本章小结

  第四章 基于变结构的无位置传感器永磁同步电机方法研究

  4.1  滑模变结构控制原理
  4.2  自适应滑模观测器设计
  4.3   转子位置估计
  4.4   自适应滑模观测器系统仿真
  4.5    本章小结

  第五章  结论与展望

  5.1  结论
  与其他电机相比,PMSM 具有明显的优势,例如功率密度提高,效率提高和扭矩增加,因此在电动驱动系统中得到了广泛的开发。但是,电磁转矩脉动极大地限制了PMSM 在高控制精度领域的应用。本文针对永磁同步电机的扰动抑制方法进行了分析,主要做出以下工作:(1)分析了同步电机与异步电机在结构上的差异,以及永磁同步电机之间的区别。构建不同坐标系下永磁同步电机数学模型,实现对电机的解耦控制。主要分析电机在同步坐标系 d、q 轴下的电流电压和转矩磁链等关系。使用空间矢量脉宽调制技术,将逆变器和电机结合为一体,最后构建永磁同步电机的 0di = 矢量控制模型。(2)分析永磁同步电机齿槽转矩,磁通谐波和电流测量误差导致的转矩纹波。引入重复控制,将重复控制对矢量控制 q 轴电流进行控制信号补偿,达到对转矩纹波抑制效果。证明重复控制在电机系统中的收敛性,与 PID 控制结合,每个周期形成补偿电流,使得转矩方差最小,完成系统的动态性能指标。(3)使用滑模变结构控制提高电机系统的鲁棒性,但是在滑模变结构中存在不可避免的抖振问题。使用新型自适应函数替换符号函数,并在零速时,对于反电动势信号不容易捕捉的问题提出修正。在信号提取使用锁相环提高有效信号收集精度。
  5.2  展望及未来工作安排
  由于对永磁同步电机的研究还有很多不足和局限性,后续研究还需要很多工作深入完善,主要分为以下几个方面:1.电机在实际运行中,负载有可能会实时变换,期望速度也会变换,针对转速和转矩的突变性,是否可以设计出更优秀的控制策略使得电机稳定运行。2.电机从启动到运行再到停止是一个整体运行过程,如何对这一整体过程中的所有参数进行捕捉和尽可能达到高精度追踪。同时对电机从启动到低速,再到高速运行单一控制策略是不太容易完整实现这一整个过程,可以考虑多个控制策略融合来实现。3.电机控制不仅是在电机控制算法中需要引入更多非线性控制策略,还需要针对电力电子结构进行优化,例如空间矢量脉宽调制技术中SVPWM算法的优化、逆变结构优化和传感器策略优化等。4.实验算法仿真与电机实际运行中还有一定差距,在构建模型时考虑的是理想状态下的电机系统,但是实际系统具有一定误差,需要考虑设计的控制策略在实际运行和理想状态下的误差。


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