提高永磁同步电动机调速系统性能方法研究

摘要

永磁同步电动机以其体积小、重量轻、功率密度大、低速输出转矩大、效率高、维护简单等优点受到了电机驱动系统研发人员的高度重视。本论文将结构简单、动态响应快的直接转矩控制方式应用到永磁同步电动机调速系统中，并对转矩调节、磁链观测、弱磁控制等问题进行了具体深入的研究，为提高永磁同步电动机驱动系统的性能奠定了基础。 首先在对永磁同步电动机数学模型分析的基础上，阐明了直接转矩控制方法在永磁同步电动机中应用的理论依据，为全文的分析奠定了基础。为解决圆形磁链轨迹对功率器件高开关频率的要求，以及滞环宽度值依据经验设定带来的开关频率和转矩脉动之间的矛盾，同时为使本文所研究的永磁同步电动机调速方法能顺利地应用到下一步即将开展的大功率机车牵引系统中，本文从开关频率优化和电压空间矢量合理选择两个方面提出了一种新的转矩调节方法：通过逆变器开关频率PI调节得到转矩滞环比较器的滞环宽度值。这样在充分利用功率器件开关频率的同时不仅克服了圆形磁链轨迹对功率器件高开关频率要求的缺陷，而且克服了在转速变化过程中采用固定滞环宽度值带来的功率器件开关频率波动范围大及由此造成低速转矩调节性能下降的缺陷；同时论文通过对零电压空间矢量对转矩调节作用的分析，针对零电压空间矢量的特点，为降低系统低速稳态运行时的转矩脉动，并且保证瞬态运行时转矩的快速响应，提出了在永磁同步电动机低速稳态运行时选用零电压空间矢量减小转矩，而在低速瞬态运行时选用有效电压空间矢量来减小转矩的转矩调节方法，该方法在保证系统响应速度的同时减小了系统平均转矩脉动。 定子磁链的准确观测是实现高性能直接转矩控制系统的重要环节之一。一方面定子磁链影响着空间电压矢量的选择，即可能由于观测误差无法准确判定磁链所在的扇区；另一方面磁链的观测误差可能造成控制策略失误，影响转矩的观测结果，所以定子磁链的准确观测和有效控制对于提高直接转矩控制系统的性能有着重要的意义。本文引入JunHu针对异步电动机提出的具有限幅值的改进型积分器对定子磁链进行了观测，分析了其存在针对不同的外界给定需要调整控制器参数的缺陷的原因，针对该缺陷本文提出了采用电机状态方程获得定子磁链幅值的改造方法。JunHu提出的改进型积分器获得的定子磁链很好的保持了相位信息，可以对扇区进行准确的判断，由电机状态方程得到的定子磁链能准确跟踪磁链的幅值信息，从而使改造后的改进型积分器能够在系统较宽的调速范围内对磁链进行准确的观测。 为了提高定子磁链观测器对于电机参数变化的鲁棒性，本文在将常数项—转子磁链定义为输入变量的基础上设计了永磁同步电动机定子磁链全维状态观测器，采用定子磁链全维状态观测器的永磁同步电动机直接转矩控制系统对定子电阻等电机参数变化具有一定的鲁棒性，可以较准确的观测定子磁链。但是全维状态观测器是针对线性时不变定常系统设计的，实际上电机在运行过程中参数变化相对较大，由此造成永磁同步电动机是一个时变系统而非定常系统。因此，仍然按照线性时不变系统设计的定子磁链全维状态观测器得到的磁链误差不可能趋于零。为了克服系统的时变性、在系数矩阵中的参数确切值不知道的情况下也能实现对定子磁链的准确观测，本文提出了基于模型参考自适应的永磁同步电动机定子磁链观测方法。将电机运行过程中变化最大的参数—定子电阻作为可变参数、以定子磁链为状态变量的电机状态方程作为参考模型、将定子磁链状态观测器作为可调模型，通过对定子电阻自适应律的推导，得出定子磁链自适应观测器。这种自适应观测器对定子磁链观测的准确度更高、对电机参数变化的鲁棒性更强。 虽然定子磁链全维状态观测器和定子磁链自适应观测器很好的解决了定子磁链的观测问题，但是在实际工程应用中存在结构复杂、运算时间长的缺点。为了寻找一种结构简单、工程使用方便的定子磁链观测器，本文提出了定子磁链混合闭环观测模型，并将其性能与定子磁链全维状态观测器进行了对比，验证了本方法的有效性。本文从频谱分析的角度对采用定子磁链全维观测器、自适应观测器和混合闭环观测器得到的定子磁链及定子的电流实验结果进行了综合对比，验证了论文对于各种定子磁链观测器性能的理论分析。 为提高永磁同步电动机调速系统性能，本文研究了永磁同步电动机的弱磁控制。永磁同步电动机弱磁控制是通过施加直轴负向电流实现的，这种弱磁实现方法的特点带来了两个问题：一方面弱磁运行过程中电机参数变化范围大，另一方面弱磁控制时系统效率急剧下降。针对弱磁运行过程中电机参数变化范围大的特点，本文分析了弱磁过程中电机参数变化对弱磁性能的影响，实现了基于电机参数变化规律的永磁同步电动机弱磁控制，使电机转矩指令能较准确的跟踪电机实际转矩输出能力。但是电机在运行过程中参数的变化情况很复杂，依据电机参数变化规律实现的弱磁控制方法在跟踪电机实际转矩输出能力上具有一定的局限性。由于电机参数变化的复杂性，无法准确建立电机输出转矩关于电机参数的表达式，本文提出了基于转矩模糊控制器的永磁同步电动机弱磁控制，从而使转矩指令更准确的跟踪电机实际转矩输出能力，确保了弱磁控制的准确性。 针对永磁同步电动机弱磁运行时系统效率急剧下降的问题，本文通过使永磁同步电动机在不同的弱磁运行区域均保证最大转矩输出，从而相对提高系统的效率。为了克服电机端电压变化对磁链计算值的影响，本文设计了一个磁链在线补偿环节，从而有效的避免了由于电机端电压变化而造成的定子磁链与系统实际需要值之间不一致的矛盾。由于永磁同步电动机的结构特点，仅从控制的角度提高永磁同步电动机的弱磁效率是有限的，更多的需要从电机设计角度去提高，本文分析了电机参数对弱磁性能的影响，为永磁同步电动机的设计提供了一定的参考。

目录

文摘

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第1章绪论

第2章直接转矩控制方法在永磁同步电动机中应用

第3章永磁同步电动机直接转矩控制系统定子磁链观测方法研究

第4章永磁同步电动机直接转矩控制的弱磁控制

第5章永磁同步电动机直接转矩控制实验系统

总结

致谢

参考文献

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