永磁同步电机直接转矩弱磁控制的研究

摘要

永磁同步电机因其具有效率高、功率因数高、结构简单等众多优势，被大量应用于各个领域，尤其以城市轨道交通和电动汽车中使用最为广泛。目前对永磁同步电机控制策略的研究主要有矢量控制和直接转矩控制两个方向。直接转矩控制的主要优势体现在鲁棒性强、控制思想简洁以及转巨响快等方面。因此近几年对直接转矩控制的研究和应用越来越多。对直接转矩控制的研究主要有这样几个方面：磁链观测、低转矩脉动技术、无位置传感器技术以及本文重点研究的的弱磁控制。相比于电励磁同步电机，永磁同步电机的弱磁运行比较困难。提高永磁同步电机的弱磁运行能力，对于提高电机性能具有重要意义。本文的研究内容如下：
　　(1)分析了直接转矩控制中几种传统磁链观测器的特点。对改进的幅值限定补偿积分器的的原理和性能做了分析研究。通过仿真对比，证明了改进的幅值限定补偿积分器与传统纯积分器相比，能有效的抑制因直流误差信号引起的磁链漂移，提高了磁链观测精度。
　　(2)提出了一种鲁棒性自调节的MTPA(Maximum Torque per Ampere，每安培最大转矩)控制方法，该方法不依赖电机参数，具有较好的鲁棒性，同时适合数字化控制。研究了如何将MTPA控制策略应用于直接转矩控制中。分别以凸极式和隐极式永磁同步电机为研究对象，推导出二者的MTPA控制条件。通过仿真，将MTPA控制与恒磁通控制做对比。仿真结果证明，MTPA控制能有效减小电机轻载时的无功损耗，提高电机的运行效率。
　　(3)阐明了永磁体的去磁特性、永磁同步电机直接转矩弱磁控制的原理以及实现方法。分析了直接转矩弱磁控制的稳定性，认为转矩角超出可控范围是导致电机弱磁失控的根本原因。分析了负载率对电机弱磁运行能力的影响。提出了一种有转矩角限幅控制的永磁同步电机直接转矩弱磁控制方法。仿真结果表明，对转矩角的限幅控制能有效防止因转矩角剧烈震荡引起的失步失控，提高了深度弱磁时的稳定性。电机的最高转速可以达到5.5倍基速。
　　(4)对永磁同步电机直接转矩控制的DSP软件系统做了设计。包括数字化磁链观测器、主程序和A/D中断子程序的流程图设计。

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1 绪论

1.1 论文的研究背景及意义

1.2 永磁同步电机直接转矩控制的研究现状

1.3 永磁同步电机的高性能控制方法

2 永磁同步电机直接转矩控制

2.1 永磁同步电机的数学模型

2.2 永磁同步电机直接转矩控制原理及方法

2.3 小结

3 直接转矩控制磁链观测器的改进与分析

3.1 常用的磁链观测器模型

3.2 幅值限定的改进积分器

3.3 仿真与分析

3.4 小结

4 MTPA控制策略

4.1 MTPA控制原理及方法

4.2 一种鲁棒性自调节的MTPA控制策略

4.3 直接转矩控制中的MTPA控制

4.4 仿真与分析

4.5 小结

5 永磁同步电机直接转矩弱磁控制

5.1 引言

5.2 永磁体的去磁特性

5.3 弱磁运行的限制条件

5.4 永磁同步电机直接转矩弱磁控制的实现方法

5.5 永磁同步电机直接转矩弱磁控制仿真分析

5.6 有转矩角限幅控制的直接转矩弱磁控制

5.7 失磁飞车现象分析

5.8 小结

6 永磁同步电机直接转矩控制DSP软件系统设计

6.1 以DSP为核心的直接转矩控制硬件系统

6.2 直接转矩控制DSP软件系统设计

6.3 小结

结论

致谢

参考文献

附录A 部分A/D中断子程序

攻读学位期间的研究成果