永磁同步电机低速转矩脉动抑制方法研究

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永磁同步电机转矩脉动产生的原因大体可分为两种:一类为电机本体设计和气隙磁场畸变引起齿槽脉动,另一类为逆变器非线性特性等引起谐波转矩,这两类因素使得电机电流中高次谐波含量增大,引起电流波形畸变,导致电机输出电磁转矩脉动,从而限制了永磁同步电机在调速范围宽、控制精度高等场合的使用范围。因此,深入研究抑制永磁同步电机输出电磁转矩脉动已成为国内外学者研究的主要方向。针对电机低速时电磁转矩脉动明显这一问题,本文经过系统的分析及理论研究过后,提出了一种改进的控制策略。本文分析了永磁同步电机的基本工作原理和基本数学模型,同时给出了几种常用的电机控制策略。在此理论基础上详细分析了永磁同步电机产生电磁转矩脉动的原因,推导出了永磁同步电机的谐波数学模型。同时提出了一种简单有效的谐波提取及抑制算法,采用欧拉-傅里叶公式实时提取出整个三相电流中的高次谐波分量,获得精确的谐波电压分量,并将其注入到电机调速系统中的三相控制电压里,抵消掉电机运行时电机定子电流中谐波分量,实现了对高次谐波电流的抑制,有效改善了电机电流的波形,高效抑制了电机的输出电磁转矩脉动。因永磁同步电机为非线性、多变量、强耦合的时变系统,不能对其建立精确的被控对象数学模型。本文在有效改善电机电流波形的同时,基于对PID控制器参数的自整定方法及模糊控制器的研究,改进速度环PI调节器为模糊PID参数自整定控制器。该控制器在整定出PID初始参数的基础上,根据被控对象的响应在采样时刻的误差E和误差变化率EC两个因素来确定参数调整量的大小,形成模糊规则模型,运用模糊推理与决策来实现对PID参数的在线调整。模糊PID控制器简便灵活,运用于控制系统速度环中,增强了系统的鲁棒性,且能在一定程度上增强电机运行性能,改善了电机电磁转矩输出平滑度。以上文提出的改进控制策略为基础,在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型,进行了对比仿真研究。紧接着提出了基于TMS320F2812DSP的永磁同步电机控制驱动系统设计方案,介绍了系统软件设计方案与相关流程,并将其应用于以TMS320F2812为主控芯片的控制平台,进行了谐波抑制、模糊PID控制效果的相关实验,实验结果与分析表明本控制策略的有效性,在工程应用中具有一定的参考应用价值。
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