永磁同步电机伺服系统减小转矩脉动的新方法研究

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永磁同步电机作为执行机构,具有结构简单、重量轻、体积小、效率高并且在恒定功率运行时调速范围宽等优点,近年来在交流伺服系统领域中得到了广泛地运用。起初,永磁同步电机的转子永磁体材料的去磁效应较为明显,使得电机的过负荷能力比较差,从而引起电机耐用度降低,后来一些科研人员研发出了很多高性能高耐性的永磁材料,并且对这些新型材料进行改进和提高,使得现有的永磁同步电机的性能得到突飞猛进的攀升,不仅于此,永磁同步电机还在调速范围宽、精度控制高等领域中运用得越来越频繁和普及。所以,研究永磁同步电动机对于人类生活生产、科研推进有着非常重要的现实意义和实用价值。永磁同步电动机的转矩脉动产生的原因主要可以分成两种:一种为电机本体设计和气隙磁场畸变引起的齿槽脉动,另一种为逆变器非线性特性等引起的谐波转矩。这两种因素造成永磁同步电机寄生转矩脉动的存在,使得其在高精度场合的应用受到了限制。同时,转矩的脉动还导致了转速的脉动。因此,深入研究抑制永磁同步电机伺服系统转矩脉动已成为国内外学者研究的主要方向。本文介绍了永磁同步电机的基本结构及运行原理,然后导出了它的基本数学模型,另外根据电机的不同特点和差异,介绍了几种用得比较多的矢量控制方法,拓宽对矢量控制的理解。之后简要地讲到了永磁同步电机系统的调制技术,介绍了PMSM矢量控制系统的系统调制方式。通过建立一系列的理论基础之后,然后详细地通过数学量化、建立数学模型,研究了永磁同步电机产生电磁转矩脉动的原因,提出了一种简洁有效的谐波抑制策略,运用Euler-Fourier算式快速完整地导出三相电机电流中的高次谐波分量,导入电压换算模块计算得到谐波电压分量,将谐波电压分量反馈到电机伺服系统的三相电机电压中,然后经过SVPWM和三相整流逆变器的作用,使处理过后的馈量与电机运行时电机定子电流中谐波分量相抵消,有效抑制了电机中产生的高次谐波电流,提高了电机电流的光滑度,降低了电机的电磁转矩脉动。本文以永磁同步电机空间矢量控制作为基础,在MATLAB/SIMULINK环境下搭建仿真模型,设计了内环谐波抑制环。另外,以TI公司的数字信号处理核心DSP TMS320F2812为控制器,设计一个永磁同步电机驱动控制系统硬件,并且依据此系统做永磁同步电机注入谐波电流抑制的对比试验,试验结果表明,谐波提取及抑制算法能有效地减小电机的转矩脉动,满足高性能调速系统的要求。
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