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无刷直流电动机转矩脉动控制技术的研究

作　者: 王海峰
导　师: 任章
学　校: 西北工业大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 正弦波无刷直流电动机矢量控制转矩脉动自适应控制卡尔曼滤波器干扰观测器模糊推理控制器
分类号: TM33
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 1888次
引　用: 13次
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内容摘要

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。

全文目录

第一章绪论  12-27
  1.1 无刷直流电动机发展概述  12-15
  1.2 无刷直流电动机系统及其脉动转矩的分析  15-17
    1.2.1 正弦波无刷直流电动机拖动系统  15-16
    1.2.2 方波无刷直流电动机拖动系统  16
    1.2.3 无刷直流电动机的脉动转矩  16-17
  1.3 无刷直流电动机转矩脉动的控制方法  17-24
    1.3.1 通过改进电机设计实现转矩脉动最小化的方法  17-20
    1.3.2 通过改进控制系统实现转矩脉动最小化的方法  20-24
  1.4 本文的研究目的和意义  24-26
  1.5 内容安排  26-27
第二章正弦波无刷直流电动机的数学模型及其控制系统  27-40
  2.1 正弦波直流无刷电动机的数学模型  27-33
    2.1.1 三相静止坐标系下的电机数学模型  27-30
    2.1.2 两相坐标系下的数学模型  30-33
  2.2 正弦波无刷直流电动机控制系统  33-39
    2.2.1 矢量控制原理  33-35
    2.2.2 无刷直流电动机控制系统  35-36
    2.2.3 无刷直流电动机系统的数学模型分析  36-39
  2.3 本章小结  39-40
第三章无刷直流电动机系统转矩纹波分析  40-52
  3.1 引言  40
  3.2 直流无刷电动机的转矩谐波分析  40-50
    3.2.1 转矩纹波的一般形式  41-43
    3.2.2 定子电流偏差引起的转矩纹波  43-50
    3.2.3 气隙磁场偏差引起的转矩纹波  50
  3.3 本章小结  50-52
第四章无刷直流电动机系统转矩脉动的补偿  52-60
  4.1 引言  52
  4.2 转矩脉动的补偿  52-56
  4.3 消除转矩脉动的编程电流法  56-59
    4.3.1 编程电流法(谐波加入法)  56-57
    4.3.2 仿真及结果分析  57-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章无刷直流电动机转矩脉动自适应控制系统  60-83
  5.1 引言  60
  5.2 模型参考自适应控制  60-63
    5.2.1 模型参考自适应控制系统的设计思路  61
    5.2.2 模型参考自适应控制系统的设计步骤  61-63
  5.3 电机数学模型的建立  63-65
  5.4 转矩脉动自适应控制方案的设计  65-70
    5.4.1 Ψ(θ)的线性化  66
    5.4.2 电流控制器的设计  66
    5.4.3 构造电机参考模型  66-67
    5.4.4 设计自适应控制律  67-70
  5.5 系统仿真及其结果分析  70-75
    5.5.1 系统仿真结果  70-72
    5.5.2 转矩功率谱密度分析  72-73
    5.5.3 自适应控制器控制性能分析  73-75
  5.6 自适应控制系数的变化对控制系统的影响  75-77
  5.7 电机参数变化对转矩脉动自适应控制系统的影响  77-81
    5.7.1 电机绕组电阻的变化对自适应系统的影响  78-79
    5.7.2 电机转子磁链的变化对自适应系统的影响  79-81
  5.8 系统在ω=100rad／s时的运行情况  81-82
  5.9 本章小结  82-83
第六章基于卡尔曼滤波器的无刷直流电动机转矩脉动控制系统  83-99
  6.1 引言  83
  6.2 考虑转子磁链谐波的电机数学模型的建立  83-85
  6.3 卡尔曼滤波器的设计  85-88
  6.4 控制系统设计  88-89
  6.5 系统仿真及结果分析  89-92
    6.5.1 仿真结果  89-90
    6.5.2 卡尔曼滤波器磁链估计曲线  90-92
  6.6 电机参数变化对控制系统的影响  92-98
    6.6.1 定子绕组电阻的变化对控制系统的影响  92-95
    6.6.2 转子磁链变化对系统性能的影响  95-98
  6.7 本章小结  98-99
第七章基于干扰观测器的无刷直流电动机转矩脉动控制系统  99-119
  7.1 引言  99
  7.2 无刷直流电动机的数学模型及其转矩脉动  99-101
  7.3 干扰观测器  101-111
  7.4 干扰观测器的设计  111
  7.5 转矩脉动控制系统  111-113
  7.6 电机参数变化对系统转矩脉动控制的影响  113-114
    7.6.1 电机定子绕组电阻变化的影响  113-114
    7.6.2 转子磁链变化的影响  114
  7.7 系统三相不对称时电机转矩脉动的控制  114-116
    7.7.1 相电流有幅值相位偏差时转矩脉动的补偿  115-116
    7.7.2 相电流有直流偏差时转矩脉动的补偿  116
  7.8 系统在低速下的运行情况  116-118
  7.9 本章小结  118-119
第八章基于干扰观测器的PMSM转矩脉动模糊推理控制系统  119-131
  8.1 引言  119
  8.2 模糊推理控制系统的设计  119-123
    8.2.1 模糊推理控制系统的组成  119-120
    8.2.2 模糊推理控制器的设计  120-123
  8.3 仿真实验及结果分析  123-130
    8.3.1 负载转矩T_r=2Nm时仿真实验  123-126
    8.3.2 负载转矩T_r=5Nm时仿真实验  126-129
    8.3.3 结果分析  129-130
  8.4 本章小结  130-131
第九章结论及展望  131-134
  9.1 论文工作总结  131-132
  9.2 研究展望  132-134
参考文献  134-144
攻读博士期间发表的论文  144
攻读博士期间参与完成的科研任务  144-145
致谢  145-146

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