永磁同步电机伺服系统研究

随着电力电子技术、微型计算机技术、稀土永磁材料和控制理论的飞速发展,永磁同步电机在中低容量的运动控制系统中得到了广泛的应用,尤其是在伺服传动领域,永磁同步电机正在逐步取代直流电机、步进电机而成为伺服驱动的发展方向。然而,由于永磁同步伺服系统受电机参数变化、外部负载扰动等因素的影响,要获得高性能、宽调速范围永磁同步伺服系统,必须研究先进的控制策略与控制手段,使系统具有较强的适应性和较强的抗干扰能力。本论文的主要工作就是围绕高性能、宽调速范围永磁同步电机伺服系统的研究而展开,文章的主要内容如下: 对永磁同步电机的矢量控制技术和直接转矩控制技术进行了系统的分析研究,通过对两种控制策略的原理及其使用时的控制性能进行比较分析,指出矢量控制技术可以实现电机交直轴之间的解耦,具有转矩控制的线性特性,能够获得比较平稳的输出转矩,达到比较宽的调速范围。结合伺服传动控制系统的要求,确定永磁同步电机伺服系统的控制方案为矢量控制。 电机的转矩控制最终归结为交直轴电流的控制,本文详细讨论了永磁同步电机矢量控制的四种电流控制方法,通过对这四种电流控制方法的转矩控制特性、转矩输出能力、功率因数特性、电流控制特性等进行分析研究,结合本课题所采用的面装式永磁同步电机,选用 id=0 的转子磁场定向矢量控制方法。 根据自动控制理论,详细分析了永磁同步电机伺服系统各组成部分的构成与数学模型,按照自动控制系统调节器的工程设计方法,完成了整个系统三个环节的设计,并对系统进行了仿真,研究了系统的稳定性。详细分析了系统动态性能和系统调节器参数之间的关系,以及负载变动、对象参数变动对系统各环节的影响,讨论了系统控制的应对措施。提出并实现了矢量控制时永磁同步电机的初始定位,保证了伺服系统矢量控制的实现。 详细研究了伺服系统电流环的影响因素,其中,电流环的零点漂移影响伺服系统的低速性能,需要对环路逐一仔细调整;电机的反电势影响伺服系统高速段的响应性能,通过增加电流调节器的比例积分系数、增大 PWM 逆变器的调制比,可以明显改善高速时电流跟踪响应性能。由于调节器的比例积分系数增加会引起电流动态跟踪响应超调,提出给电流环引入电流微分负反馈,实验和仿真均证实其抑制电流响应超调的实际效果。 使用 PI 调节器实现速度环调节时,为了获得比较快的速度响应,速度响应存在超调是必然的,而且,根据自动控制原理设计的速度调节器在实际运行中均需要做比较大的调整。因此,本文提出使用二次型指标最优(LQSF)实现了永磁同步伺服系统速度调节器的设计,针对实际速度阶跃过程中调节器的饱和,提出采用 Bang-Bang控制实现速度调节器饱和期间的速度控制。为保证系统具有良好速度响应性能,给出