铁氧体永磁伺服电机驱动控制系统研究

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为了解决伺服电机性能和成本之间的矛盾,一种新型的铁氧体永磁辅助式磁阻同步伺服电机(以下简称铁氧体伺服电机),其作为一种新型的永磁电机,同时具有内置式永磁同步电机和同步磁阻电机的特性,且制造成本更低,性价比高,高温性能稳定,不存在过压风险,恒功率范围宽、可宽范围调速等优点,在伺服驱动系统中有着良好的应用前景。本文以铁氧体伺服电机驱动控制系统为研究对象,在研究铁氧体伺服电机特有的控制特点的基础上,对铁氧体伺服电机的起动策略和恒转矩区MTPA控制策略、效率优化策略进行研究。本文首先对铁氧体伺服驱动系统的电机本体进行电磁设计,对电机的转子结构优化选择,不同极槽配合的研究,仿真确定铁氧体伺服电机最优电磁方案。利用场路结合法计算铁氧体电机的参数,并详细对比研究铁氧体伺服电机特有的转矩特性。针对铁氧体伺服电机特有的特点,进行控制分析,并建立驱动系统场路联合仿真平台。然后针对铁氧体伺服电机特有的特性导致其起动和初始位置定位困难,提出改进的磁定位起动策略,同时引入了零度位置辨识与补偿算法,实现电机平滑稳定起动。为了获取更加准确的初始位置信息,提出了双参考坐标系初始位置估计策略,采用双坐标理论,完成对初始位置的象限判断、割线法求估计误差角,实现对铁氧体伺服电机的初始位置精确估计。其次针对铁氧体电机参数变化复杂的问题,提出了不依赖于电机参数的在线变步长搜索最小直轴电流补偿算法,可根据定子电流幅值变化改变搜索步长和方向,从而更快的逼近最小直轴电流补偿点,有效的解决搜索缓慢和震荡问题,恒定转矩的情况下电流最小、系统效率最高。最后设计制作了铁氧体伺服电机样机,设计了铁氧体伺服电机驱动系统电机驱动驱动硬件方案,针对提出的起动策略、MTPA控制与效率优化策略编写相应的驱动系统软件,构建驱动系统实验平台,在此平台上进行全面的实验研究,验证电机本体的设计性能和控制策略的有效性。实验结果表明:设计的铁氧体样机的电感参数特性、反电动势与仿真设计结果吻合。起动策略能有效平稳起动电机,初始位置精确估计策略可快速的收敛至估计值,估计误差小,准确的估计初始位置。采用本文研究的在线变步长最小直轴电流搜索补偿策略可以同时实现铁氧体伺服电机MTPA控制和效率优化,提高铁氧体电机稳态运行效率及可靠性,从而提高铁氧体伺服电机驱动系统整体控制性能。
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