多采样率永磁同步牵引电机数字控制系统研究

摘要

与异步电机相比，永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor)效率高，相同体积总输出功率大，因此受到了广泛的关注。大功率牵引传动系统为了降低开关损耗同时实现直流电压的最大利用率，开关频率一般仅为数百赫兹且最终要过渡到方波控制。低开关频率增加了数字控制系统的延时，降低了系统带宽，从而无法实现电机的高动态控制性能。另外，方波工况下电压幅值达到最大无法调节，因此基于电流调节器的矢量控制不再适用，同时为弱磁控制带来困难。
　　首先采用了一种基本母线钳位策略(BBCS)的过调制方法，保证了谐波特性的同时也实现了到方波工况的平滑过渡。
　　分析了数字控制原理及延时产生机理，并对多采样率数字控制系统进行了建模分析，然后提出了一种基于状态观测器的延时补偿算法，对系统延时进行补偿，使低开关频率下的系统响应速度和解耦性能都得到有效改善。
　　针对方波工况下传统双电流环控制深度弱磁时因交叉耦合引起弱磁失效的情况，采用了一种电压相角弱磁方法，避免了传统控制中两个调节器之间的冲突，保证了电机的全速域范围内的最大转矩控制。
　　本文基于MATLAB/Simulink搭建了永磁同步电机传动系统仿真模型，并搭建了基于TMS320VC33的300kW永磁同步电机实验平台。分别在仿真和实验中对基本母线钳位过调制策略和延时补偿算法以及电压相角弱磁方法进行了分析，验证了所提方案的可行性。

目录

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致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外发展现状和趋势

1．2．1 永磁同步牵引传动系统应用概况

1．2．2 大功率永磁同步电机控制技术

1．3 本文主要内容

2 永磁同步电机矢量控制系统

2．1 永磁同步电机的数学模型

2．1．1 永磁同步电机的结构及物理模型

2．1．2 永磁同步电机数学模型

2．2 永磁同步电机矢量控制

2．2．1 永磁同步电机运行分析

2．2．2 永磁同步牵引系统的矢量控制方法

2．3 空间矢量PWM过调制算法

2．3．1 SVPWM基本原理

2．3．2 基本母线钳位过调制算法

2．3．3 仿真结果及分析

2．4 本章小结

3 多采样率永磁同步电机数字控制系统延时补偿

3．1 传统数字控制及延时问题

3．1．1 数字控制延时产生原理

3．1．2 数字延时影响分析

3．2 延时补偿控制策略

3．2．1 多采样率数字控制系统

3．2．2 基于状态观测器的延时补偿算法

3．2．3 延时补偿在解耦控制上的应用

3．3 仿真结果及分析

3．3．1 延时补偿仿真分析

3．3．2 加入延时补偿的解耦控制仿真分析

3．4 本章小结

4 永磁同步电机电压相角法弱磁控制

4．1 永磁同步电机弱磁运行理论

4．1．1 永磁同步电机弱磁控制基本原理

4．1．2 双电流调节器弱磁策略的问题

4．2 电压相角法弱磁

4．2．1 电压相角法弱磁原理

4．2．2 电压相角法弱磁控制稳定性分析

4．2．3 控制策略的实现

4．3 仿真及结果分析

4．4 本章小结

5 实验及结果分析

5．1 永磁同步电机实验平台

5．1．1 实验平台介绍

5．1．2 实验平台控制逻辑

5．2 基本母线钳位过调制开环实验

5．2．1 基本母线钳位过调制数字实现方式

5．2．2 基本母线钳位过调制实验结果

5．3 电机转子初始位置校正、闭环实验

5．3．1 转子初始位置校正

5．3．2 电流闭环实验

5．3．3 空载转速闭环实验

5．4 永磁同步电机延时补偿与解耦控制实验

5．4．1 延时补偿实验

5．4．2 解耦控制实验

5．5 永磁同步电机电压相角法弱磁实验

5．6 本章小结

6 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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