五相永磁同步牵引电机矢量控制及参数辨识研究

摘要

随着我国城轨列车技术的不断发展，永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM)牵引系统开始得到广泛的关注。与传统三相PMSM牵引系统相比，多相PMSM具有诸多显著优点：功率密度更高、体积更小、容错性强；输出转矩脉动小且运行噪音低；控制自由度增多，控制策略更加丰富。本文以五相内嵌式永磁同步电机为研究对象，以基于最大转矩电流比的矢量控制算法为基础，研究了电感参数辨识算法及多模式调制算法，该调制算法结合了空间矢量脉宽调制(Space vector pulse width modulation, SVPWM)及特定次谐波消除脉宽调制(Selected harmonic elimination pulse width modulation, SHEPWM)，并设计多模式调制切换算法，克服了不同调制之间切换时造成的转矩与电流冲击问题。　　首先，本文推导了五相永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型，介绍了五相电压源型逆变器的工作原理，详细分析并总结了32个空间电压矢量在α1-β1基波空间及α3-β3谐波空间中的分布规律。　　其次，研究了矢量控制及最大转矩电流比控制的原理，并结合五相内嵌式永磁系统的特点，介绍了五相PMSM基于最大转矩电流比的矢量控制策略；为减少控制系统对电感参数的依赖性，增强系统的稳定性，分析了带有遗忘因子的递推最小二乘法(Forgetting Factor Recursive Least Square Algorithm, FRLS)的原理，并结合五相PMSM数学模型，采用基于递推最小二乘法的五相PMSM电感辨识算法，利用该算法可以对电机的直轴电感Ld及交轴电感Lq进行在线辨识。　　然后，研究了相邻两矢量SVPWM算法(Nearest two vectors-SVPWM, NTV-SVPWM)及最近四矢量SVPWM算法(Nearest four vectors-SVPWM, NFV-SVPWM)两种适用于五相PMSM的SVPWM算法，并对两种调制算法的优缺点进行了对比；研究了SHEPWM算法的基本原理，详细推导了五相SHEPWM算法开关角的求解过程，设计出适用于五相系统的SHEPWM算法；结合对五相系统的SVPWM算法及SHEPWM算法的分析，设计出适用于五相系统的多模式调制算法，并从永磁同步电机的等效电路模型出发，研究了多模式调制切换算法，克服了切换时造成的冲击问题，实现转矩与电流的平滑过渡。　　最后，设计搭建了DSP+FPGA控制器并结合RT-LAB半实物实验平台，对本文所提算法进行了硬件在环半实物验证，实验结果证明了算法的有效性与正确性。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 永磁同步牵引电机控制技术

1.2.2 多相牵引逆变器脉宽调制技术

1.3 论文主要研究内容

第2章五相永磁同步电机驱动系统数学模型

2.1 五相永磁同步电机数学模型

2.1.1 自然坐标系下的 PMSM数学模型

2.1.2 五相 PMSM坐标变换矩阵

2.1.3 旋转坐标系 PMSM数学模型

2.2.1 五相逆变器的工作原理

2.2.2 五相空间电压矢量

2.3 本章小结

第3章五相永磁同步电机矢量控制及参数辨识算法

3.1.1 矢量控制原理

3.1.2 最大转矩电流比控制

3.2 五相永磁同步电机参数辨识

3.2.1 最小二乘算法原理

3.2.2 五相永磁同步电机参数辨识算法

3.3 本章小结

第4章 五相牵引系统多模式调制算法

4.1 空间电压矢量调制算法

4.1.1 基于相邻两矢量 SVPWM算法

4.1.2 基于最近四矢量 SVPWM算法

4.2 特定次谐波消除调制算法

4.2.1 SHPWM算法原理

4.2.2 SHPWM算法开关角的计算

4.3 多模式调制算法

4.3.1 多模式调制算法设计

4.3.2 多模式调制切换算法

4.4 仿真验证与分析

4.5 本章小结

第5章硬件在环半实物实验研究

5.1 硬件在环 RT-LAB 半实物平台简介

5.2 DSP+FPGA算法程序设计

5.2.1 DSP算法程序设计

5.2.2 FPGA算法程序设计

5.3.1 全速域运行

5.3.2 参数辨识

5.3.3 多模式调制

5.4 本章小结

结 论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文