永磁同步电机谐波闭环传递机理及扭转振动控制方法研究

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永磁同步电机矢量控制驱动系统广泛应用于车辆、数控机床、机器人和水下航行器等重要机械装备。然而永磁同步电机扭转振动会损害装备运行的稳定性,增大振动噪声,影响装备的可靠性和使用寿命。抑制永磁同步电机转速谐波,减小扭转振动,对于重要制造业领域的发展有重要意义。所以本课题以永磁同步电机矢量控制驱动系统为对象,研究了电气相关谐波的闭环传递机理以及扭转振动控制方法,主要结论如下:(1)推导了永磁同步电机矢量控制驱动系统中包括永磁同步电机、矢量控制策略、逆变器、电流滤波器等环节在d-q轴坐标系下的传递函数。永磁同步电机d-q轴定子电压到定子电流的传递过程存在d-q轴耦合,考虑d-q轴耦合项的影响能够大幅提高传递函数计算的准确性。静止坐标系下空间矢量脉宽调制对于电压指令信号的影响主要体现为延时作用,在d-q轴坐标系下延时环节的传递函数为逆旋转变换矩阵乘以延时的传递函数再乘以旋转变换矩阵。仿真验证了推导结果的准确性,为永磁同步电机矢量控制驱动系统中谐波闭环传递特性分析提供理论基础。(2)推导了死区效应相关谐波在永磁同步电机矢量控制驱动系统中的闭环传递机理,基于此机理首次提出减小扭转振动的电机控制参数优化方法。简化d-q轴坐标系下死区效应引起的电压误差谐波的数学表达式,推导了电压误差谐波到d-q轴定子电流的闭环传递函数,得到了死区效应相关的d-q轴定子电流和转速谐波解析表达式。死区效应相关谐波的闭环传递机理揭示了矢量控制策略闭环控制对于扭转振动响应的影响,构建了电机控制参数与扭转振动响应的关联数学模型。基于该模型,首次提出减小死区效应引起的扭转振动的电机控制参数优化算法:以推导的电流和转速谐波表达式构建优化目标函数,采用遗传优化算法得到转速和电流控制器的最优控制参数,在考虑电机动力响应性能需求的电机控制参数约束范围内,仅通过设置合适的电机控制参数即可减小永磁同步电机扭转振动。解决了扭转振动控制算法复杂和结构优化困难的问题,对于工程应用推广具有重要意义。仿真和实验表明所提方法有效找到最优控制参数减小了扭转振动,在实验中,当使用最优PI参数时,第24阶转速谐波幅值最大降低了73%。(3)提出基于实部和虚部谐波控制器的扭转振动控制方法。包括谐波提取、谐波控制器和注入电压信号重构三部分。谐波控制器根据转速信号的谐波提取结果调节注入电压谐波后,通过信号重构将注入电压谐波转换到时域注入电压指令中,实现转速谐波在线实时抑制。提出了实时阶次提取算法,采用电机转角信号构造傅里叶变换算子,结合单点傅里叶变换和滑窗的方式对转速谐波进行实时阶次提取,避免基于旋转坐标变换和数字滤波器的谐波提取算法带来的计算量大,参数调整复杂的问题。设计了一种基于转速谐波实部和虚部的转速谐波控制器,解决了基于幅值和相位控制的转速谐波控制器难以消除幅值静态偏差的问题,提高了转速谐波抑制效果。采用注入电压谐波直接调节转速谐波,从而不需要电流谐波控制器及电流谐波提取,减小了参数调节难度和计算量。所提出的扭转振动控制方法具有响应速度快,抑制效果出色,计算量小,能够在变工况下应用等优点,在实验中能够将第24阶转速谐波幅值减小98%以上。(4)推导了注入电压谐波在永磁同步电机矢量控制驱动系统中的闭环传递机理,提出了基于电机驱动系统谐波闭环传递的谐波注入抑制电流和转速谐波的方法。推导了注入电压谐波到电流和转速谐波的闭环传递函数,揭示注入电压谐波在永磁同步电机矢量驱动系统中的闭环传递机理。并根据该闭环传递函数设计谐波控制器,在谐波控制器中加入闭环传递关系矩阵的逆进行解耦,解决现有的谐波注入法在部分工况下失效的问题。实验中,所提方法在现有谐波注入法有效的工况下效果相当;在失效的工况下仍能有效抑制电流和转速谐波,将d轴电流谐波幅值减小了97%,q轴电流谐波幅值减小了95%,转速谐波幅值减小了97%,大幅度提高了抑制效果。
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