关键词:
表贴式永磁同步电机
零速启动
低速控制
前馈补偿
负载扰动
死区补偿
摘要:
表贴式永磁同步电机因为其转矩密度高、效率高、结构简单可靠等优点,在航空航天、轨道交通、数控装备和家用电器等领域得到越来越广泛的应用。与内置式永磁同步电机相比,表贴式永磁同步电机具有磁链谐波分量少、制作工艺简单等优势。然而,表贴式永磁同步电机通常采用高频注入信号的方式进行零速启动和低速控制,但这种方法一方面会因为弱磁控制性能较差的原因,难以使电机得到理想的启动和低速控制效果,从而导致电机启动失败和低速控制不稳定的现象;另一方面,表贴式永磁同步电机在低速控制时,会受到转矩脉动、谐波信号、逆变器产生的死区电压以及负载扰动等因素的影响,导致其发出尖锐刺耳的高噪声,限制了其在高性能和公共场所的应用。因此,研究表贴式永磁同步电机低速控制和噪声抑制技术,对于促进此类低速控制电机的实际应用具有重要意义。
本文以表贴式永磁同步电机及其驱动控制系统为研究对象,以提高电机低速控制效果、降低转矩脉动和信号谐波分量的方式达到降低电机低速控制噪声分贝的目的。从优化注入信号方法、前馈补偿控制方法和逆变器死区电压补偿控制方法三个方面开展表贴式永磁同步电机低速低噪声无传感器控制算法研究。
首先,由于高频信号注入法是表贴式永磁同步电机常见的无位置传感器低速控制算法,所以目前应用最为广泛的表贴式永磁同步电机低速控制降噪方法便是通过优化注入信号的方式对低速控制下的电机进行降噪。因此本文在用于表贴式永磁同步电机进行零速启动和低速控制的传统高频信号注入方法的基础上,提出一种基于注入信号序列优化的非线性磁链观测器控制算法对表贴式永磁同步电机进行零速启动和低速控制,该方法可以通过降低转矩脉动和电流中谐波分量的方式更好的实现电机的零速启动、低速控制以及降低噪声。接着通过MATLAB仿真软件对此方法进行仿真测试,对比了优化前后电机的转矩脉动和电流中谐波分量的大小。仿真结果表明该方法对表贴式永磁同步电机的启动和低速控制具有较好的效果,并且在噪声产生方面也优于传统启动和低速控制方法,并为之后进一步实现低速低噪声控制奠定基础。
其次,由于上文所提控制方法在电机噪声降低方面仍可进一步改善,因此本文在此基础上提出两种进一步降低电机低速控制时噪声的方法:基于扩展滑模力学参数负载转矩观测器的负载转矩前馈补偿的降噪方法以及基于逆变器死区电压补偿的降噪方法。基于负载转矩前馈补偿的降噪方法是利用观测器跟踪系统扰动并从系统扰动中提取出电机负载转矩,然后将观测出的负载转矩以前馈补偿的形式作用于电机低速控制器,然后通过稳定转矩波形波动、降低电流和转矩中谐波信号的方式,在稳定电机低速控制和提高鲁棒性的同时降低电机低速控制下电机的噪声。逆变器死区电压补偿降噪方法则是基于电压源逆变器(VSI)在表贴式永磁同步电机低速控制和轻负载的条件下的死区时间效应会导致电机中的电压、电流畸变和零电流钳位效应从而产生大量的增强电机噪声信号的电流谐波这一原因进行优化。该方法为了降低电机中谐波信号大小和抑制电机低速时产生的零电流钳位效应,提出了一种新的自适应死区补偿算法,在传统的空间矢量调制(SVPWM)的基础上,根据两个非零空间电压矢量在每个脉宽调制周期内的比值来分配补偿死区时间和补偿它们的有效时间,从而抑制电机系统产生的零电流钳位效应。在补偿成功后,可以通过时域稳定电机转矩脉动、频域降低电流和转矩谐波分量的方式降低低速控制下表贴式永磁同步电机产生的噪声。
最后,将所提出的全部低速控制算法在MATLAB软件中利用仿真建模的方式应用于表贴式永磁同步电机,验证其低速控制和降噪效果。仿真结果表明所提方法可以很好的对表贴式永磁同步电机进行零速启动以及低速控制,并且有效的通过稳定转矩脉动以及降低电流和转矩中的谐波信号大小的方式降低电机低速控制时产生的噪声。在此基础上,本文还将提出的所有低速低噪声控制算法都通过电机驱动实验平台进行了实物验证,验证结果与仿真结果相符。最终本文采用仿真和实物相互验证的方式完成了对表贴式永磁同步电机低速低噪声无位置传感器控制算法的研究。