矢量控制下永磁同步电机齿槽转矩抑制方法研究

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永磁同步电机矢量控制驱动系广泛应用于新能源汽车、数控机床、机器人、船舶、航空航天等领域。随着工业4.0的到来和中国制造2025战略目标要求,工业化向高精尖自动化、智能化技术方向发展已是大势所趋,这也对永磁同步电机矢量控制驱动系统提出了更高的性能要求,如运行中转矩、转速平稳、振动噪声小等。然而永磁同步电机固有的齿槽转矩是电驱系统产生转矩和转速谐波、振动噪声的主要原因之一,因此抑制电驱系统中齿槽转矩引起的转矩、转速谐波具有重要工程意义。所以本课题以永磁同步电机矢量控制驱动系统为对象,研究抑制齿槽转矩引起的转速谐波方法,按照“激励源输入-传递路径-系统响应输出”模型来分析永磁同步电机矢量控制驱动系统中齿槽转矩引起的转速谐波,并从激励源输入、传递路径两方面对齿槽转矩引起的转速谐波进行抑制,主要内容如下:(1)验证了矢量控制系统中,齿槽转矩应被看作系统的一个干扰输入,通过控制系统的反馈作用,形成齿槽转矩到电机转速的闭环传递,而不是直接通过电机机械运动方程作用到转速。基于永磁同步电机数学模型,分析坐标变换、空间矢量脉宽调制策略等矢量控制相关理论;分析齿槽转矩产生机理及其谐波特性;建立永磁同步电机矢量控制驱动系统仿真模型得到矢量控制下齿槽转矩引起的转速谐波幅值大小。通过对比仿真和计算结果,得出结论:闭环控制系统中齿槽转矩不是直接通过电机机械运动方程传递到电机转速,而是通过控制系统的反馈作用,形成齿槽转矩到电机转速的闭环传递。(2)提出了一种永磁电机齿槽转矩测量方法。分析所提方法的测量原理,并利用本课题所采用的表贴式永磁同步电机搭建实验测试系统对其齿槽转矩进行测量。首先从角域对测量结果进行低通阶次滤波得到齿槽转矩角域曲线,然后利用角域傅里叶变换获取其阶次成分及幅值,并结合理论对测量结果进行分析。此外,采集矢量控制下电机转速进行谐波分析,并搭建与矢量控制实验平台相对应的电机控制模型仿真所测齿槽转矩引起的转速谐波幅值大小并与实验结果相对比,间接定性和定量地验证了所测齿槽转矩阶次成分的准确性和幅值大小的精度。结果表明:该方法操作简单、可行性高、成本低且测试精度也较高。(3)推导齿槽转矩到电机转速的闭环传递函数,提出了基于齿槽转矩闭环传递和转速谐波抑制的电机控制参数优化方法。研究齿槽转矩在永磁同步电机矢量控制驱动系统中的闭环传递机理,推导齿槽转矩到电机转速的闭环传递函数。根据推导的闭环传递函数构建了电机控制参数与转速谐波的关联数学模型,基于该模型提出减小齿槽转矩引起的转速谐波的电机控制参数优化方法。以通过传递函数建立的转速谐波表达式为目标函数,以满足电机动力响应特性需求确定控制参数约束条件,采用遗传算法寻优得到使齿槽转矩引起的转速谐波幅值最小的电机控制参数,并通过仿真和实验验证了所提方法的可行性与有效性。(4)推导q轴注入谐波电流到电机输出电磁转矩的闭环传递函数,提出了基于控制系统传递特性的q轴谐波电流注入补偿齿槽转矩方法。分析了q轴注入谐波电流在永磁同步电机矢量控制系统中的传递机理及路径,推导了q轴注入谐波电流到电机输出电磁转矩的传递函数。基于该传递函数和所需补偿的齿槽转矩设计了谐波电流控制器,实时计算出q轴所需注入谐波电流的幅值和相位,实现对齿槽转矩的精确补偿,进而抑制齿槽转矩引起的转速谐波。解决了现有谐波电流注入法由于幅值衰减和相位延迟导致的效果不佳甚至失效等问题,并通过仿真和实验对所提方法的可行性与有效性进行验证。
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