基于电机参数自学习的永磁直线同步电动机伺服控制系统探析

为了解决直线电机伺服控制技术及其内部参数获取难的问题,本文围绕永磁直线同步电机(PMLSM)进行了系统设计与分析,以电机参数学习技术为基础,提出了PMLSM伺服控制系统,并分析了该系统的硬件与软件设计情况。最后,本文还通过研制并应用专业的实验装置,证实了这一系统的可行性,希望本文的研究成果能为读者提供一定的参考价值。

永磁同步电机-2R机械臂自适应容错抑振控制

永磁同步电机-2R机械臂控制由多个关节和执行器组成,通常情况下其为非线性动力系统,易出现混沌现象。因此,永磁同步电机-2R机械臂控制过程中会出现一定的故障,从而影响了机械臂的稳定性和控制性能,在故障条件下的容错抑振控制能力是该机械臂急需解决的问题。在该背景下,提出永磁同步电机-2R机械臂自适应容错抑振控制。基于拉格朗日方程,通过对永磁同步电机-2R机械臂的动能和势能计算,得到的整体动能表达式。然后,结合动能计算结果确定机械臂的未知项和不确定性故障,设计容错控制器来监测机械臂的状态信息。根据动能计算结果和容错控制器获取的机械臂状态信息,设计容错抑振控制器,实现永磁同步电机-2R机械臂在故障状态下的自适应容错抑振控制。实验结果表明:所提方法的永磁同步电机-2R机械臂控制精度更高、振动抑制效果更好,可以显著减小永磁同步电机-2R机械臂的振动,提高运动平滑性、精度和稳定性。

永磁同步电机系统非线性动态特性分析

为减弱永磁同步电机内置电机转子与定子之间的气隙分布不均引起的偏心,造成的高速电主轴动态特性的非线性变化,基于复合偏心影响下不平衡磁拉力模型,建立永磁同步电机模型及其运动微分方程。采用数值模拟方法分析发生气隙偏心时电机系统的动态特性,通过分岔图、轴心轨迹图和频谱图等方法对高速电主轴内置电机系统的非线性振动特性进行研究。结果表明,随着转速增大,电机转子的回转半径呈现先增大后减小的趋势,增大静偏心会导致回转半径峰值后移,但随着静偏心增大,系统峰值也逐渐增大。

永磁同步电机自整定分数阶PID速度控制

为优化永磁同步电机(PMSM)控制效果,提高电机整体控制性能及鲁棒性,提出自整定分数阶PID控制策略,并应用于永磁同步电机速度环控制。该控制器较常规PID多了2个可调参数,能够更加灵活地控制受控对象。设计了前馈解耦的电流控制器、模糊分数阶PID控制器,利用模糊规则在线整定控制器参数;在Matlab中搭建永磁同步电机仿真模型,对比本文控制策略与常规PID控制、普通分数阶PID控制及滑模控制,分析不同速度下PMSM变负载系统转速仿真曲线。仿真结果表明,模糊分数阶PID控制器抗干扰性强、跟踪精度高、响应速度快,具有更好的控制效果。

永磁同步牵引电机全速域双模式模型预测控制策略

有限集模型预测控制因具有多目标多约束的控制特性以及较好的动态控制性能,在中压大功率牵引传动领域得到较多关注。轨道车辆牵引电机调速范围较广,在高速弱磁域要求达到最大直流母线电压利用率。但是,传统有限集模型预测控制过调制能力有限,进入过调制后电流跟踪性能下降,无法最大化变流器直流母线侧电压利用率,实现方波运行。针对此问题,提出一种双模式模型预测控制方法,在线性速度范围内采用传统单步长预测控制,在高速弱磁域内采用一种改进多步长模型预测控制方法,实现牵引电机全速域工况运行。首先,建立永磁同步电机线性速度域内的预测电流模型和目标函数;其次,分析电机在方波工况下的交直流电流轨迹特征,引入多步长预测以计算电流轨迹平均值,建立基于电流平均值的目标函数,从而确定最优的换流时刻;再次,提出双滞环结构控制模式切换方法,实现线性控制模式和方波控制模式的平滑切换;建立前馈弱磁控制计算模型,实现高速弱磁区域的参考电流给定;最后,通过稳态和暂态实验结果验证所提出控制算法的有效性。

自通风永磁同步电机的气动噪声优化

为准确预测和优化自通风永磁同步电机(SVPMSM)高转速下的气动噪声特性,采用计算流体力学与Lighthill声类比相结合的方法对电机气动噪声进行了仿真计算,其中,采用RNG k-ε模型和大涡模拟对电机内流场进行仿真计算,在此基础上利用Lighthill声类比法进行声学求解,并通过试验进行验证。建立无风道的简化模型研究了风扇不同结构参数对气动噪声的影响,利用整机仿真模型研究了风道膨胀腔结构对气动噪声的影响。研究结果表明,电机在4250 r/min转速下整机仿真计算的气动噪声声功率级与试验值的差距为0.6 dB(A),表明仿真模型能够有效预测电机气动噪声。电机优化研究发现,风扇内半径大小和叶片弯曲弧度的变化对风扇流场结果影响较小,因而气动噪声相差不大;相比于叶片数量较少、叶片不等距排布,叶片数量较多、叶片等距排布时有更好的声学特性;在电机风道中加入膨胀腔对电机噪声的低频有较好的降噪效果,加入长度为94.4 mm的膨胀腔比长度为134.4 mm的膨胀腔有更低的声功率级,同时,风道内设置两个膨胀腔比只设置一个膨胀腔有更好的降噪效果。

梯形Halbach交替极无铁心永磁同步直线电机特性分析与优化设计

针对无铁心永磁同步直线电机(PMLSM)存在推力波动问题以及磁极结构对永磁体利用率的影响,从结构方面着手,提出一种梯形Halbach交替极磁极结构的无铁心永磁同步直线电机,对Halbach阵列进行优化设计。首先通过有限元法对比在Halbach交替极、双层Halbach磁极与梯形Halbach交替极3种磁极结构中PMLSM的电磁性能,分别对气隙磁场谐波成分、空载反电动势、电磁推力以及推力体积比进行计算与对比。其次,采用等效磁化强度法定性分析磁极结构对电机出力性能的影响,并引入Kriging模型,结合多目标优化算法对关键参数进行优化以提高电机平均推力和推力体积比,降低推力波动,得到3个优化目标的Pareto前沿。最后,通过仿真分析验证设计方法的有效性以及电机性能的改善。结果表明:梯形Halbach交替极磁极结构永磁体利用率更高,具有实用价值;梯形Halbach交替极PMLSM能够有效抑制推力波动并保持在7%左右,适用于高精确度加工设备。

永磁直线同步电机改进预测电流控制

永磁直线同步电机(PMLSM)预测电流控制(PCC)时存在易受参数变化和延迟以及负载扰动影响,为此提出基于二阶超螺旋滑模观测器(STSMO)的改进型PCC。首先,建立包含不确定性的PMLSM动态数学模型。然后,为了补偿参数变化以及延迟的影响,采用二阶STSMO估计下一周期的电流和参数变化造成的扰动电压,估计值用以计算下一周期的给定电压,以提高电流跟踪精确度,通过李雅普诺夫函数证明观测器的稳定性。同时,采用基于改进指数趋近律的自适应滑模控制器(ASMC)对速度进行跟踪,将状态变量和滑模面加入到指数趋近律中,不仅削弱了电流抖振,且进一步提升了系统的鲁棒性。半实物仿真实验结果表明,与传统PCC相比,提出方法能有效地抑制不确定性对系统影响,使系统具有更好的跟踪性能和鲁棒性。

基于改进RBF神经网络的永磁同步电机弱磁控制

针对永磁同步电机在传统单电流调节器弱磁控制下,电机控制模式切换时导致的系统稳定性差,以及传统RBF-PID控制器输出权值的非精细化更新导致的参数过拟合,收敛速度慢等问题,提出一种过渡区域切换算法,引入混合权重因子,采用余弦插值与Sigmoid函数做过渡区域的平滑处理,并在弱磁区引入模糊PI控制器,将自适应梯度下降法与L2正则化策略结合,改进神经网络的输出权值。仿真结果表明,设计的过渡区域切换算法,不依赖电机参数,可移植性强,优化了恒转矩区切换至弱磁区的条件,在改进RBF-PID控制器下,转速超调量仅为0.07%,负载调节时间较之传统策略减少了94%。

基于扩张状态观测器的永磁直线同步电机改进模型预测电流控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)模型预测电流控制(MPCC)中存在的电流脉动过大、在线计算复杂的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的改进MPCC策略。利用最优电压矢量相角和重新划分后的电压矢量扇区,改进第一电压矢量的选取方式,减小第二电压矢量选择范围,以实现电压矢量的快速选取,进而降低电流脉动。同时,为了提高PMLSM抗负载扰动能力,通过ESO对扰动进行观测,将观测到的扰动转换为电流进行补偿,提高系统的鲁棒性,且补偿电流可起到进一步减小电流脉动的作用。仿真结果表明,所提出的控制方法切实可行,与MPCC相比,基于ESO的改进MPCC系统具有更好的控制性能、更小的电流脉动和较强的鲁棒性能。

新能源汽车永磁同步电机散热结构优化分析

永磁同步电机作为新能源汽车的核心部件,在运行时会产生大量热量,影响电机的效率和寿命,因此有效的散热设计和管理至关重要。针对永磁同步电机的散热问题,提出一种内外双层螺旋互逆冷却结构。首先,基于Maxwell电磁仿真软件计算出电机损耗,将损耗代入电机热源从而计算各部件生热率和表面散热系数;其次,利用ANSYS软件建立永磁同步电机温度场和流场的有限元仿真模型并进行分析;通过对比不同类型的双螺旋互逆冷却水道温度场的分布,证明圆形截面的双螺旋互逆冷却水道对电机的温升抑制明显,为后续永磁同步电机冷却水道的设计提供了参考价值。

开绕组永磁同步电机的无模型电流预测控制策略

针对共母线型开绕组永磁同步电机的零序电流和模型电流预测控制中电机参数易受影响的问题,提出了一种无模型电流预测策略。首先,将电流预测控制与无模型控制结合,引入线性状态观测器对系统扰动进行估计;其次,使用价值函数以及电压矢量扇形策略选择最佳基本电压矢量和作用时间,且通过非零矢量产生的零序电压和参考值的差量得到补偿的零序电压,并选择计算其注入的混合零矢量以及作用时间;最后,用滑模控制改进状态误差反馈的自抗扰控制来代替速度环的PI控制。仿真结果表明,该改进方法使零序电流的波动范围缩小在0.2 A之间,提高了系统的响应速度,验证了此方法的有效性和可行性。

永磁同步直线电机的矢量控制

由于旋转电机加滚珠丝杠的传统机械结构加入了中间传动环节,无法进一步提升使用性能,研究了永磁同步直线电动机矢量控制算法.针对永磁同步直线电动机开展矢量控制算法分析以及验证工作,在矢量控制系统框架下进行了硬件搭建与软件设计,搭建了永磁同步直线电机矢量控制验证平台,测试核心算法,经过试验,设计的软/硬件能够对永磁同步直线电机进行有效控制,有较好的鲁棒性.

船舶驱动用永磁同步电机电磁特性分析

永磁同步电机的气隙磁通在正常工作条件下是恒定的,因此普通永磁同步机驱动的船舶存在速度范围窄、输出转矩低的缺点。本文研究了一种用于船舶驱动的变磁通量永磁同步电机。磁场的变化可以提高低速时的输出扭矩,拓宽高速时的工作范围。研究了该变磁通永磁同步电机的结构,分析了磁场的调节机理。基于有限元方法,得到了磁密度分布、转矩、磁链和功率特性的变化规律。相关结论表明该电机可以很好的拓宽船舶行驶时的运行速度,提高电机的输出功率。

参数变化的永磁同步电机自适应控制

针对永磁同步电机参数变化导致电流与转速难以控制的问题,设计了一种基于反步法的自适应控制策略。建立了参数变化的永磁同步电机数学模型。通过反步法分别设计了电流自适应控制器与转速自适应控制器,增强了系统对参数变化的鲁棒性。通过与传统串级PID控制的对比实验,验证了所提出方法在动态性能与系统稳定性方面的优越性。

基于EKF的永磁同步电机参数估计

传统的永磁同步电机(PMSM)往往依赖于机械传感器来获得位置和速度数据,这一做法不仅增加了系统复杂性,还使得其调速性能深受数学模型精确度的影响,进而削弱了系统的鲁棒性。为了克服传统线性速度调节器在鲁棒性方面的局限,本文深入研究了扩展卡尔曼滤波(EKF)算法在PMSM矢量控制中的应用,通过该算法对系统状态进行实时、高精度的估算;此外,考虑到系统噪声和测量噪声对电机模型、EKF性能的影响,对噪声协方差矩阵的取值进行分析,旨在得到较优值,从根本上增强系统的抗干扰能力、提升调速响应速度,并优化整体运行的稳定性。

基于扩展卡尔曼滤波的永磁同步电机控制研究

在永磁同步电机的驱动系统中,磁场定向控制(field-oriented control, FOC)技术常常受限于对位置检测传感器的依赖,限制了系统的响应能力,增加了整体成本。提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的永磁同步电机控制策略,用以实现电机的无传感器控制。构建了电机的精确数学模型,设计扩展卡尔曼滤波器,用于精确估计电机的状态变量。通过在MATLAB/Simulink环境中搭建仿真模型,对比了传统的FOC控制与基于扩展卡尔曼滤波的控制方法。结果表明:新方法能够可靠地估计电机的状态参数,达到优异的控制性能。

分段式双三相永磁直线同步电机的无模型电流预测控制

分段式结构的双三相永磁直线同步电机(PMLSM),动子穿入和穿出定子分段时,传统的无差拍预测电流控制(DPCC)易受反电动势动态扰动的影响,无法实现精确的电流跟踪和推力控制。同时,该电机模型的参数失配会增大DPCC电流和推力控制的难度。针对以上问题,该文提出了一种基于无模型电流预测控制(MFPCC)的电流控制策略。首先,构建了分段式双三相PMLSM的超局部模型。其次,基于该超局部模型设计了预测电流控制器,并设计扰动观测器以补偿反电动势动态扰动和参数失配的影响。最后,实验验证了所提MFPCC能够抑制分段式双三相PMLSM的反电动势和参数失配的扰动,有效提升参数鲁棒性、电流跟踪性能并降低推力波动。

基于谐波注入分段供电永磁直线同步电机变流器开路推力波动抑制

该文提出一种电流谐波注入的方法,减小长定子分段并联供电永磁直线同步电机系统的驱动变流器发生单相开路故障下电机推力波动。首先,根据动子在定子段的位置,推导出分段单元电机的电压方程,得到各个单元电机的推力表达式和系统总推力。然后,依据变流器单相开路前后的全耦合状态下单元电机基波磁动势不变的原则,构造降阶坐标变换矩阵,得到电机的电压方程和推力表达式。采用注入谐波电流、优化故障后直线电机的输出推力的方式,消除变流器单相开路故障产生的4次和6次推力谐波并消除耦合因数变化对电机推力影响;通过多变流器协同控制多单元电机,有效降低变流器单相开路故障后的推力波动,提高电机的最大输出推力。仿真和实验验证该方法的有效性。

基于级联线性-非线性自抗扰控制器的永磁直线同步电机速度控制策略研究

为了提升永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)在负载变化、参数摄动和其他不确定因素下的抗扰性能和速度跟踪性能,提出一种基于级联线性-非线性自抗扰控制器的PMLSM速度控制策略。首先,建立考虑负载扰动和参数失配的PMLSM数学模型;其次,设计级联线性-非线性扩张状态观测器来实时估计和补偿系统所受的不确定扰动,前级线性扩张状态观测器保证系统在大扰动下保持稳定,后级非线性扩张状态观测器利用非线性机制进一步提高系统对扰动的估计精度,从而将线性自抗扰控制和非线性自抗扰控制的优势相结合,以此提升系统的速度跟踪性能和抗扰动能力;并且,对所提控制器提出基于劳斯判据的稳定性分析方法,并对系统的抗扰性能和噪声抑制性能进行了频域分析;最后,对基于PI控制、级联线性自抗扰控制、非线性自抗扰控制和级联线性-非线性自抗扰控制的永磁直线同步电机系统进行仿真和实验对比,验证所提方法的优越性。