基于定子磁链观测的大功率永磁同步牵引电机转矩闭环控制

摘要

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor)应用于牵引传动系统中，需要根据对其下发的转矩指令来进行控制。目前常用的永磁同步牵引传动系统转矩控制方法如查表法、公式计算转矩闭环控制等方法都存在受电机电感参数变化的影响，转矩控制精度不高的问题。方波工况下采用电压相角法弱磁控制，能在电压幅值饱和的情况下继续提高转速，但想要对转矩进行准确的控制，也需要观测到精确的转矩作为反馈量。大功率牵引传动系统受开关器件的限制需要保持较低的开关频率，受接触网电压的限制需要过渡到方波工况，而传统的过调制方法电压不对称性严重。针对上述问题，本文对转矩观测方法和永磁同步电机全速域转矩控制进行了研究。
　　首先基于PMSM扩展磁链数学模型，建立了状态观测器。扩展磁链状态观测器通过永磁同步电机的电压、电流和转速来观测扩展磁链，然后根据扩展磁链计算出定子磁链。这种方法观测到的定子磁链不受电机电感参数变化的影响。根据永磁同步牵引传动系统的需求对观测器的极点进行配置。通过仿真验证了其收敛性和参数鲁棒性。
　　通过观测的定子磁链与定子电流计算出电机电磁转矩，定子电流和定子磁链的精度都不受电机电感参数变化的影响，因此估算转矩的精确性也不受电感参数变化的影响，保证了转矩环反馈量的准确性。接下来分析了电流控制策略，为了减小牵引传动系统损耗采用MTPA控制方式;为了在逆变器电压饱和时还能提升转速并控制电机转矩，采用了电压相角法弱磁控制;根据上述分析，结合转矩观测方法提出了基于定子磁链观测的永磁同步牵引系统全速域转矩闭环控制方案，通过仿真对其进行了验证。对电机转矩控制受电感参数变化的影响进行了定量分析。另外为了保证调制能够从线性区顺利过渡到方波，提出了变载波频率过调制的方法，对该方法和基本矢量钳位同步调制进行了分析和实验。
　　搭建了基于TMS320VC33控制器的300kW永磁同步电机实验平台。首先在该平台验证了基于扩展磁链观测器的磁链和转矩观测准确性;然后将估算转矩作为反馈，进行了恒转矩区转矩闭环控制稳态和动态实验;最后加入弱磁控制，对电机进行了全速域的转矩闭环控制稳态和动态实验。实验结果表明，采用本文的转矩闭环控制方案，永磁同步电机在全速域的转矩控制性能较好。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景和选题意义

1．2 国内外发展现状和趋势

1．2．1 永磁同步电机在轨道交通领域应用现状

1．2．2 永磁同步电机转矩控制方法

1．3 本文主要内容

2 永磁同步电机的数学模型及磁链观测模型

2．1 永磁同步电机结构及数学模型

2．1．1 永磁同步电机的结构

2．1．2 永磁同步电机数学模型

2．2 基于扩展磁链的永磁同步电机数学模型

2．3 基于扩展磁链的定子磁链最小阶状态观测器

2．3．1 最小阶状态观测器

2．3．2 最小阶状态观测器极点配置

2．3．3 最小阶状态观测器仿真结果分析

2．4 本章小结

3 基于精确转矩反馈的永磁同步电机转矩闭环控制

3．1 永磁同步电机转矩反馈方法

3．1．1 基于公式计算的电磁转矩反馈

3．1．2 基于扩展磁链观测器的电磁转矩反馈

3．1．3 转矩反馈的仿真结果对比

3．2 永磁同步电机转矩闭环矢量控制

3．2．1 PMSM牵引传动系统调制策略

3．2．2 PMSM牵引传动系统矢量控制

3．2．3 基于精确转矩观测的PMSM弱磁控制

3．2．4 基于精确转矩反馈的转矩闭环控制全速域仿真

3．3 电感参数变化对转矩闭环控制的影响

3．3．1 电感参数变化对转矩观测精确性的影响分析

3．3．2 电感参数变化对MTPA的影响分析

3．4 本章小结

4 转矩闭环控制实验研究

4．1 永磁同步电机实验平台

4．1．1 实验平台介绍

4．1．2 实验平台控制框架

4．2 PMSM转矩闭环控制方法实验结果及分析

4．2．1 定子磁链和转矩观测实验结果

4．2．2 恒转矩区转矩闭环控制实验结果

4．2．3 全速域转矩闭环控制实验结果

4．3 本章小结

5 结论和展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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