ALA转子同步磁阻电机直接转矩控制系统研究

摘要

早期的同步磁阻电机,为产生异步起动转矩，在转子上装有起动笼。这种转子结构的同步磁阻电机凸极比小，因而功率因数差、转矩密度低，并且该异步转矩正常运行时易引起转子振荡。新型ALA (Axially Laminated Anisotropic)转子电机本质上仍是一种同步磁阻电机，但其独特的转子轴向叠片结构使之具有很高的凸极比，因而具有高转矩密度、高功率因数、低损耗等优点；多叠片结构使转子表面光滑，磁阻变化连续，转矩脉动和噪声小；转子无永磁体，能够承受较高的运行温度和负载冲击，电机过载能力强，易于弱磁扩速，因而是一种非常具有应用前景的电机。但这种电机难以直接启动，在开环运行时存在振荡、失步和异步运行等问题。这些缺点限制了ALA转子电机的实用化。本文的研究工作，目的就在于推动这种新型电机的实用化进程。 本文首次提出将直接转矩控制技术应用于ALA转子电机。直接转矩控制首见应用于异步电机，其控制方案在异步电机控制中的研究已经取得了许多重要成果。近年来，亦有不少学者将之应用于同步电机的研究，且主要集中于内永磁结构。 为将异步电机和永磁同步电机有关直接转矩控制技术的研究成果应用于ALA转子电机，本文从分析异步电机和永磁同步电机直接转矩控制技术开始，介绍了直接转矩控制的基本原理和技术发展，并对其前景进行了展望。阐述了永磁同步电机直接转矩控制系统与异步电机直接转矩控制系统的区别，并进行了仿真研究。 ALA转子电机在结构上毕竟与异步电机和永磁同步电机不同，其控制方式和性能也大不一样。例如，和异步电机相比，ALA转子无绕组，转子磁链的响应要快得多。而和永磁同步电机相比，ALA转子无独立的磁场。直接将异步电机和永磁同步电机的直接转矩控制技术不加变化地移植到ALA转子电机，很难获得最佳性能，本文的研究重点即探索适合于ALA转子同步磁阻电机的直接转矩控制技术。 本文在分析同步磁阻电机的特点和工作原理的基础上，从同步磁阻电机的基本原理出发，推导了磁阻转矩的一般表达式；并在定子参照系下，建立了ALA转子电机的数学模型；继而开展了系统的相关研究工作。具体如下： 介绍了同步磁阻电机现有的各种控制方案，并指出同步磁阻电机控制方案面临的两大主要问题：一方面需要位置传感器；另一方面，同步磁阻电机因其磁路不同，磁饱和对d轴与q轴的影响差别很大，使d轴电感随电流而变化。在矢量控制方案中，d轴电感往往是通过d轴电流查表求得，这进一步增加了控制系统的复杂性。直接转矩控制不需要位置传感器，并对电机参数有较好的鲁棒性，因此开展同步磁阻电机直接转矩控制技术的研究具有十分重要的意义。 阐述了ALA转子电机的直接转矩控制方案，用MATLAB软件进行了ALA转子电机直接转矩控制系统的仿真分析。仿真结果证实了ALA转子电机直接转矩控制方案的可行性和有效性。 详细介绍了基于DSP专用芯片TMS320LF2407A的ALA转子电机直接转矩控制系统。阐述了各种硬件资源配置和软件设计方法，设计时注意将软件设计和硬件设计相结合，较好地构建了一套ALA转子电机直接转矩控制实验系统。 对四极样机开展了大量的起动、分步加速、转速突变、正反转实验，得到了大量的实验数据。实验证明，ALA转子电机在直接转矩控制方式下具有较强的抗扰动能力和快速响应能力，同时展示出良好的运行性能和应用潜力。 进行了两极ALA转子电机的空载起动和运行实验。实验结果表明，直接转矩控制方案对不同ALA转子电机有很好的适应性。 进行了两极ALA转子电机在直接转矩控制方式下带机械阻尼器和不带机械阻尼器的对比实验。结果证实，直接转矩控制能彻底解决ALA转子电机开环起动振荡和异步运行问题，在直接转矩控制方式下不需要机械阻尼器。 进行了四极ALA转子电机的负载性能实验。实验结果表明，ALA转子电机在直接转矩控制方式下有更强的负载能力。