低开关频率下永磁电机控制方法研究

摘要

永磁同步电机控制简单，效率高，在轨道交通中的应用越来越广泛。针对永磁同步电机弱磁扩速的特殊性，本文分析了负直轴电流补偿弱磁控制方法，利用电机电压合成矢量与直流侧能够提供的最大电压矢量幅值之差，通过PI控制器闭环校正直轴电流指令来实现弱磁。同时大功率牵引传动系统中要求开关频率较低，加剧了永磁同步电机矢量控制的电流耦合问题，而较长的开关周期也使数字控制固有的延时问题更加突出，影响了电机的控制性能。
　　本文从复矢量域建立永磁同步电机数学模型，推导出系统传递函数，从理论上分析了电流耦合问题。对双PI调节器解耦方法进行了深入分析，研究了其改进形式，并通过传递函数画出系统闭环零极点分布图和伯德图对几种解耦控制优化方法进行了对比讨论。相比较前馈解耦和反馈解耦，改进型双PI解耦控制对电机参数具有更好的鲁棒性，解耦效果更好。
　　本文分析了数字控制原理及延时产生基理，研究了角度补偿和q轴电流误差补偿两种延时补偿方法。两者均可改善低开关频率下的控制性能，后者动态性能更好。在加入延时补偿条件下，对低开关频率下几种解耦控制方法的解耦效果做了分析对比。研究分析了在低开关频率下适合永磁同步电机的解耦控制与延时补偿相结合的控制优化方法。
　　本文在MATLAB/Simulink中搭建了永磁同步电机传动系统仿真模型，并搭建了基于DSP28335的7.5kW永磁同步电机牵引传动系统实验平台。分别在仿真和实验中对弱磁控制、解耦控制方法和延时补偿方法进行了分析，验证了控制优化方法的准确性和可行性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题的研究背景和选题意义

1．2 国内外发展现状和趋势

1．2．1 永磁同步电机发展概况

1．2．2 大功率永磁同步电机控制的应用概况

1．3 本文主要内容

2 永磁同步牵引电机的控制原理

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

2．1．2 永磁同步电机的物理模型

2．1．3 永磁同步电机坐标变换理论

2．1．4 永磁同步电机数学模型的建立

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 负直轴电流补偿弱磁控制

2．3．1 负直轴电流补偿法

2．3．2 弱磁控制仿真分析

2．4 本章小结

3 永磁同步电机解耦控制方法研究

3．1 永磁同步电机电流耦合原理

3．2 解耦控制方法

3．2．1 前馈解耦与反馈解耦

3．2．2 改进型双PI解耦

3．2．3 解耦控制方法比较

3．3 仿真结果及分析

3．3．1 MATLAB仿真模型介绍

3．3．2 解耦控制对比仿真

3．4 本章小结

4 永磁同步电机数字控制延时补偿

4．1 数字控制及延时问题

4．1．1 数字控制原理

4．1．2 数字延时影响分析

4．2 延时补偿优化控制

4．2．1 延时补偿控制原理

4．2．2 补偿优化后的解耦控制方法

4．2．3 解耦控制方法比较

4．2．4 基于q轴电流误差的延时补偿方法

4．3 仿真分析

4．3．1 延时补偿方法仿真分析

4．3．2 加入延时补偿的解耦控制仿真分析

4．4 本章小结

5 实验平台及结果分析

5．1 永磁同步电机牵引传动系统实验平台

5．1．1 实验平台简介

5．1．2 实验平台数字控制逻辑及模块介绍

5．2 永磁同步电机闭环弱磁控制实验

5．3 永磁同步电机延时补偿控制实验

5．4 永磁同步电机解耦控制实验

5．5 本章小结

6 结论和展望

参考文献

附录A

作者简历

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