测量装置

永磁同步电机,在自整定调速系统中,如何利

发布时间:2024/8/18 13:44:27   

文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

永磁同步电机(PMSM)系统的控制策略中,基于模型的控制算法和基于观测的控制算法是两种主流方案,目前后者已经发展到了工程实现阶段。本文通过一种新颖的滑模变结构方法实现了对永磁同步电机系统参数的估计和控制,并设计了相应的系统实现方案。

传统的基于模型的控制策略,其原理是通过建立永磁同步电机(PMSM)系统的数学模型来获取电机参数,进而对PMSM进行控制。

该方法虽然能够实现对电机参数的估计,但难以克服参数变化对控制性能产生的影响,且要求PMSM模型准确有效。针对这一问题,本文提出了一种新颖的滑模变结构控制策略来估计PMSM参数。

永磁同步电机

永磁同步电机是一种直接将电能转化为机械能的新型电机,具有效率高、体积小、重量轻、结构简单等优点,在各工业领域得到了广泛应用。永磁同步电机可以应用于各种不同的场合,比如,大功率交流电机、直流电机、感应电机等。

永磁同步电机(PMSM)是一种基于永磁体的旋转磁场来驱动的交流电动机,由于永磁体的存在,它具有体积小、重量轻、效率高等优点。

由于其内部结构简单,没有铁心损耗,因此其效率一般比较高。同时,由于它的结构紧凑,不需要安装复杂的旋转变压器来进行交流电能到直流电能的变换,从而大大简化了系统结构。

PMSM具有优良的调速性能和调速范围。与其他交流电动机相比,PMSM具有较高的功率因数,可以减少对电网中谐波分量的污染和损耗。

此外,PMSM可以很容易地与其他电机或电力系统集成。由于PMSM结构简单、调速性能好,在一些场合中可以与其他交流电动机一起构成完整的电力驱动系统。

在传统的交流调速系统中,电压和电流是由继电器进行控制的。而永磁同步电机由于其内部结构的原因不存在传统交流异步电动机那样复杂的继电器控制系统,因此采用了一种全新的电压和电流控制方法—电压闭环控制方法。

永磁同步电机采用了空间矢量调制技术来对其进行控制。矢量调制是将一种调制信号直接作用于永磁同步电机转子上以产生旋转磁场,这种方法可以提高电机的性能,同时也可以避免永磁同步电机转子的磁钢饱和。

矢量控制是一种基于磁场定向的控制技术,它在永磁同步电机系统中使用。它通过使电机转子磁场定向,从而实现对电机转速的控制。

矢量控制可以在给定速度下工作,并具有良好的动态特性,同时也具有很好的静态特性。与矢量控制相比,矢量控制的优点是可以根据电机参数对控制精度进行调节。

此外,矢量控制还具有较高的鲁棒性,因此它也非常适合用于高速运动系统中。永磁同步电机驱动系统在性能、可靠性等方面具有显著优势。

目前,永磁同步电机主要有两种不同的结构:定子磁场定向和转子磁场定向。

滑块观测器的技术原理

滑模观测器是一种可以用来观测和估计电机转速的技术。这种技术将滑模观测器与电机转子的状态联系起来,然后使用观测器中的反馈来进行速度和位置的估计。

传统的转子位置观测方法是使用速度传感器,而这些传感器通常不是很可靠,尤其是在低速时。因此,有必要在低速时使用滑模观测器,以获得可靠的转子位置观测值。

滑模控制是一种对系统参数变化非常敏感的控制方法。由于电机参数的变化将对系统性能产生不利影响,因此通过在电机驱动中使用滑模控制来补偿这些变化是很重要的。

当使用滑模控制时,电机转速和位置将以恒定速度运行,而不是随着速度或位置的变化而变化。在这种情况下,如果电机参数发生变化(如转子电流、定子电阻),则电机转速将发生变化,因此需要一个与之相适应的控制器来调整转速以实现稳定运行。

传统的方法通常需要一个控制器来产生一组闭环控制信号以实现速度和位置跟踪,但这会导致较大的控制延迟和控制误差。

为了解决这个问题,一些系统已经开始采用基于模型的方法来实现这些功能。在这里,我们将讨论基于模型的方法(如自适应控制、有源阻尼和滑模)在电机调速系统中的应用。

为了在没有外部设备和系统参数变化情况下实现准确的电机速度和位置估计,我们需要使用滑模观测器来实时测量电机转速和位置。为了达到这一目的,我们将设计一个滑模观测器来估计电机转速和位置。

在本文中,我们将讨论在永磁同步电机调速系统中使用滑模观测器的方法,滑模观测器是基于电机模型的一种控制方法,它可以提供电机转子的位置、转速和转速,并根据这些信息来设计电机控制器。

如果电机转速和位置信息是准确的,那么该控制器将能够准确地控制电机,从而实现对电机的控制。但是,如果电机速度或位置信息不准确,则该控制器可能会导致控制误差。

基于滑块观测器的自整定调速系统

为了使系统具有自适应和鲁棒性,基于滑模观测器的电机调速系统需要对电机参数进行在线辨识,而由于电机的参数是在不停变化的,因此采用传统的基于模型参考自适应控制和自适应反电动势控制等方法难以满足要求。

因此,有必要研究一种无需电机参数的点机调速系统。电机调速系统必须能够自适应地调节电机转速,以实现负载转矩和转速的快速跟踪,因此需要研究一种无速度传感器的调速系统。

滑块观测器具有“估计”速度的能力,能够根据转子位置估计出转子速度和电流,因此可以将滑块观测器应用于无位置传感器的永磁同步电机调速系统中。

本文在MATLAB/Simulink环境下搭建了基于滑块观测器的永磁同步电机调速系统的仿真模型,通过改变模型中的滑块参数来模拟滑块观测器,从而实现了电机的转速、负载转矩及转矩角等参数的在线辨识。

本文所采用的永磁同步电机调速系统由:永磁同步电机本体、转速测量装置、位置传感器、PWM控制电路、旋转变压器和相应的控制器组成。

其中,采用旋转变压器替代了传统的编码器,用来实时测量转子位置和速度信息;转速测量装置用于在线辨识出转速;

位置传感器用于检测出电机转子上安装的编码器,以及根据转速和位置信息计算出电机负载转矩;PWM控制电路用于根据转速和位置信息计算出电机输出转矩,并将其控制信号送给旋转变压器;控制器用于对转速和转矩进行解耦控制。

其中,转子速度由旋转变压器采样得到,采用滑模观测器进行估计,而负载转矩则由位置传感器和PWM控制电路提供。

当电机低速运行时,转子速度由电流来直接计算得到,而当电机高速运行时,由于转子速度直接由电流来计算得到,因此采用电流直接计算法,而无需使用滑模观测器。

另外,由于转子位置不能直接测量得到,因此采用旋转变压器代替编码器实现了电机的位置测量。

在系统设计过程中,首先对速度进行辨识,并通过估算获得负载转矩;然后在电机高速运行时,通过将速度和转矩进行解耦控制实现了对负载转矩的控制;最后采用滑模观测器在线辨识出转子速度和转矩后实现了对转速的估计。

应用前景及发展趋势

在永磁同步电机调速系统中,为了提高系统的动态性能和鲁棒性,需要对系统参数进行在线估计。传统的速度跟踪控制策略如PI或滑模观测器,需要对电机的参数进行复杂的辨识和计算,导致控制系统的计算量增大。

随着数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)等数字芯片的不断发展和价格的不断下降,永磁同步电机调速系统的设计和控制方法正朝着自动化、数字化、智能化、网络化等方向发展。

目前,永磁同步电机调速系统中大多采用基于模型参考自适应系统(MRAS)的自整定控制策略,但由于MRAS存在较大的参数变化范围,导致其无法对永磁同步电机进行精确建模,并会造成控制系统误差较大。

为了弥补传统自整定控制策略中存在的不足,研究人员将滑模观测器引入永磁同步电机调速系统中,在传统自整定控制策略基础上增加了滑模观测器模块,构成滑模自整定调速系统。

这种方法不仅可以解决MRAS参数变化引起的转速偏差问题,还能实现对永磁同步电机进行精确建模和精确控制。但滑模自整定调速系统在实际应用中仍存在一些问题有待解决。

首先,如何提高自整定调速系统的鲁棒性是一个亟待解决的问题。传统基于模型参考自适应系统对永磁同步电机进行控制时,其所采用的是永磁同步电机在某一转速下的状态模型;

而在实际应用中由于环境条件、负载变化等因素影响,永磁同步电机会发生转矩脉动。因此必须建立电机在不同转速下的状态模型和对其进行修正。

笔者观点

永磁同步电机自整定调速系统在实际应用中,存在着诸如电机参数的不确定性,转子速度和位置的非线性以及外部负载的扰动等不确定因素,因此在采用滑模观测器估计电机参数和转速时,必须进行模型验证。

以滑模观测器估计永磁同步电机转速时,必须保证所采用的参数是准确的,否则在实际应用中会出现转速估计误差较大的情况。此外,在对永磁同步电机进行参数辨识时,由于所采用的辨识模型不准确也会导致估计精度降低。

在永磁同步电机自整定调速系统中,使用滑模观测器进行参数辨识,可以有效地降低估计误差对系统控制性能的影响。

参考文献

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