（电力电子与电力传动专业论文）提高永磁同步电动机调速系统性能方法研究.pdf

第1 i 页西南窝通大学博士静 究生学位论文 的观测结果，掰以定予磁链的准确观测和有效控制对于提高直接转矩控制系统 豹镶能有着重要麓意义。本文零l 入强建 耗赞麓弄多毫动凝提密静葵鸯溪海毽露 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绘定需要 调熬控制器参数的缺陷的原因，针对该缺陷本文提出了浆用电机状态方程获得 定予磁羲骧篷静敬 x 西南交滋大学博士研究生学位论文登l 亟 合对比，验_ i 正了论文对于各种定子磁链观测器性能的璐论分析。 为提裹度激弱步毫动援灞邃系统经戆，本文殛变了拳隧嚣步奄霸槛懿弱磁 撩制。永磁同步电动机弱磁控制是通过施勰直轴负向嗽流实现的，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， 受方瑟弱磁羧铡薅系统效窭急副下终。针对弱磁运纾过程孛毫规参数交诧范 豳大的特点，本文分析了弱磁过程中电机参数变化对弱磁性熊的影响，实现了 熬于电机参数糍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 的跟踪电机实鼯转矩输出能力。但是电机狂运z 亍过程中参数的变化情况缀复杂， 谈摅篷枫参数纛亿援簿实现的弱磁控锻方法在跟踪电梳实际转矩输游麓力上其 有定的局限一隧。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 予电机参数的擞达式，本文撮出了基于转矩模糊控制器的永磁同步电动机弱磁 投露l ，获嚣傻转矩疆令更撼臻翁舔踩遗瓿实际转矩臻爨能力，确绦了疆磁整懿 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 磁鞠步毫动凝程不羁戆嚣磁逡牙匿域臻缳 妥最大转筵羧爨，获瑟褪慰夔裹系统 的效率。为了赢服电机端电膳变化对磁链计算值的影响，本文设计了个磁链 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予磁链与系 统宾酝需要傻之闯苓一致的劳詹。疰l 予永磁同步电动枫熬结稳特点，仅从控制 静角度提高永磁阕步电动梳的弱磁效率蘧有限酶，更多的需要藏电机设诗角度 杂提高，本文分析了电机参数对弱磁性熊的影响，为永磁同步电动机的设计提 供了定的参考。 关键词：永磁同步电动机；嶷接转矩控制；开关频率；转矩脉动；定子磁链； 弱磁控制 蘩掸贾鼗溺交逶大学港士礤竞生学缎论文 a b s t r a c t n 撼h n 馘e 燃m a g n e ts y 黔k o 璐m 鑫c 撼n eg m s h 鑫s m e 始t 娩出i v 。 s y g c 讯d e v e l o p e r s ，a 谯c n t i o n 两rt h e rm 酊 魄g u c ha sl o wv o l u m e ，h i g hp o w e r 如n s i t y h i g he m c i e n c ya n ds i m p l em a i n t e n a n c e i no r d e rt oe n h a n c et h ep e r f b r n l a n c eo f p m s md r i v es y s t e m ，d i r c c tt o r q u e m r o l ( d t c ) m e t h o d 懈t hs i m p l es 毫r l j c t u r e 龃d 鑫s td 辩a m i e 瓣s p o n s e 矗a sb e c 矬印p l i 蠢。秘豫娃e8 鸯鞋s t 蠡u x 曲s 。搿o f 鞠d 羹隧 w e a k e n i n gc o m r o lm e t h o dh a v eb e e ns t u d i e dd e e p l yi nt h ep a p e r w h i c hs e tt h e f o u n d a t i o no f i m p r o v i n gm ep e r f 0 黼a n c eo f p m s md r i v es y s t e m 。 t kt k o r yo fp m s md 謦0 辩氇醴酝s 泌e n 越y 鹅d 幻m 疆獐m 撼e m 采i e s m o d e lo f p m s m w i t hl l s i n gf i x e dh y s t e r e 8 王sb a n d w i d t ht oa c h i e v er o u n df l u xi o c u s ， t h e r ee x i s tt w os h o r t c o m i n g s t h ef i r s ti st h a tr o u n dn u xl o c u sc a u s e sh i 然s w i t c h i n g f 始q 诅e n e y t h es e e o n d 呈s 如越是x e dh y 或e s i sb a l l d w i d 搬a f o h s 。sc o n 钕避i c t i o n b e t w e e ns w i t c b i n gf k q u e n c ya n dt o q u e 嫡撑l e i no r d e rt oo w r c o m et h et 啪 s h o n c o m i n g s ，am e m o do fa c h i e v i n gt h et o r q u eh y s t e r e s i sb a n d 谢d t hb yu s i n g s w i “i n gf r e q u e n c yp la 啦u s t i n gm e t h o dh a sb e e nb r o u 曲tf o n v a r d t h ep 1 8 u s t 至n gm e t h 磁珏s e st h ci 艚e 蹴rs w i 耗莪i 歉g 蠹o q u e ya s 醅d b a c kv a l u ea n d o p t i m a ls w i t c h i n g 的叩e n c ya sg i v e nv a l u c n l ep ia d j u s t i n gm e l o dn o to n l y m a k e sf 试lu s eo fm es w i t c h i n gf b q u e n c yo fp o w e rd e v i c eb u ta l s os 0 1 v em e e o n 轾葚d i 蕊。珏b 融w e e ns w i t e h l 撞gf 砖珏e n e y 拽砖t o 糖辩f p p l e 。叠l e 爨溅o fz e v o l t a g es p a c ev e c t o r sh a sb e e na 1 1 a i y z e d i nm el o ws p e e dr e g i o no fp m s md r i v e s y s t e m ，an e wv 0 1 t a g e 印a c ev 。c t o rs e l c c t i o nm e t h o dh a sb e e ni n t r o d u c e d t h en e w v o l 攮g es 辨e ev e e 嬲鞴k c 童主nm e 壤。dc a 致b e 采截畦b e d 赫：z e r 。v o l 耄a g e 犟a c e v c c t o r si sc h o s o 协f e d u c et h et o r q u ed u r i n gt h es t a b l os 协t eo fl o ws p e e da n d n o n “z e mv o l t a g es p a c ev e c t o r si sc h o s et o d u c et 1 1 et o r q u ed u r i n gt h ed ”锄i c 董囊塞鋈查耋簦生壁塞圭掌壁蕤塞 篓! 蒌 晷t a t eo fl o w 蹄e e d b yu s i n g 也en e wv o l t a g es p a c e e t o rs e l e c t i o nm e 也o d ，t l l 。 a v e 臻g el o r q 辩r p p 靶抽r i 裙s n 潮。魂瞳ei s 抟d 珏。e da n df 如tt o r 毽锵r e 蹬o n s ei s g u 嚣煳把o dd 溉n gd y n 勰至cs 拄 搬 t h ea c c u r a t e 虬牡o rn u xl i n k a g eo b s o h e ri 3o n eo f 饥em o s ti m p 洲a n tp a r t st o 趟矗l i z 。t h ed t c 姆s t 锄am o d i 丘e d n t e g r a t o ri sa p p l i e dt os 协t o rn 姒o b s e m ro f p m s 麓d 萤e 。l 箍o f 缸豁i 黯m 妞瑟y 毋蠡el d i 菇稚i n 重。g 籀 甜煎霹x 豳s s 球甄 m ep a r a m e t 押o f t h ec o n t r o l l 州m u s t b em o d i 靠e dw i 也t h ec h a l l g i n go f o u t s i d es e t t i n g + a me t ：h o di si n t r o d u c e dt oo v e r c o m et 1 1 i ss h o f c c o m i n g t h en e wm e m o du s e sm o 趣。畦i 蠢蠢i 毪捻g 箍稔f 姆曲喇n h os 嫩蠢u x 融s ei 珏岛釉瓣汝n 瑟鑫珏s e s 氆蚤a 龆 e q u a t i o 珏o fp m s m f oa c q u 沁t h e 瑚u eo fs 铆o f 矗耻) c b y 西i n gs 如t h em o d 蔺e d i n t e 伊a t o rc a n b eu s e da sn u xo b s e r v e rw i t hal a r g e - s c a l oo f s p e e d a 魄童 玲孤s 。o f 出萎扛 毽蚁期| 呈量e m * 瓣丑疆xl i 熊拄霉e 勰遗娥v ；撕曲k ，a 戴l o e rs t a 辩o b s e 凇fi sd e s i g n 酲t oo b s 霉n ，e rp m s 酝d 氍s y s t e ms t 黻o r 蠡u x b y u g i n gf u l l o r d e rs t a t en u xo b s e r v e r ，t h ep o r f o r m a n c eo fp m s md t c s y s t e md u r i n g l o ws p dr a n 豁h a sb e e ni 捌p r o v e d 。t h ed o s 迢no f 秘1o r d e rs t a 圭e 丑姒曲s e r v e ri s b 8 s e d 秘程端黜s 鞠哮螽强a tt & p s ms y s 妇谴逸a1 i 描锺r 鞠di b 硝r i a 椒es y 蹴氆。融 p r a c t i c a l ，s o m 站p a r 棚e t e r so fm o t o rw i i l 她a n g ed u r i n 8t l l er 叽n i n go ft h em o t o n t h ep m s m s y s l e mi sav a r i a b l es y s t e mb u tn o t 孤i n v 稍a b l es y s t e m 1 h ee f i d ro f 程漱e a 珏黪器e 挺转d 论釜e r o 确i l e 嚣i 救g 兔 lo 磁。r 潮e 襄疆。酶e v e 矗w 巍i 螽嚣 d 它s i g n e do nm eb a s eo f i n v 州a b l es y s t e m i no r d e rt oo b s e r v es t a t o r _ f l u a c c u r a t e l y o v e nw h c nt h ep a r a m e t e r so ft h ec o e m c i e 柏协a r en o tk n o h m a i ia d a p t i v es t 砒o rn u x q b s e 辩ri sp u t 岛蹦a 墨；强or 嚣瓣l 挺墨c 毯e v 越磅疆s i 珏g 瓣鑫龋v 。蠡驻xo s c 敝r 虹谨 b e e f lc o m p a r e d 弼氆氆a tg o t 翻m 削lo f d 黼s 掘t ef l u xo b s e “e 确e8 d 矗p t i v cs 扭o f n u xo b s e r v e rc a no b s e r v e rs t a t o rf l u xm o 妣a c c u r a t e l ya n dh a sm o r e b u g m e s st o p 龇翻麓壤f sv 站i 黼o n 嚣l 。良i lo r d e rs 挺绝o b 削f 霾n d 蠢鑫戤i v eo 按 e f w r 鹾s 掘街f 嚣l h 牡v 簪d ，s e f v e d t h en u x a c c u r 龇e i y b u tt h e $ t n l c n l r e so f 也e ma r ec o m p i 燃a n dt h e yc a n tb ea p p l i 醐 协e n 舀n e c r i n ge a s i l y ji no r d 料t o 丘n dan u xo b s e r v e r 、v i ms i m p l es t m c t u r e 姐d 髓s y 第v i 页 西南交通大学博士研究生学位论文 t ob er e a l i z e d ，an e wm i x e dc l o s e d1 0 0 ps t a t o ro b s e r v e ri sp u tf o n v a r da n dt h e p e r f o r m a n c eh a sb e e nc o m p a r e dw i t hw h a tg o t 丘o m f 试l0 r d e rs t a t eo b s e r v e l i no r d e rt oe n h a n c et h ep e r f b r n l a i l c eo fp m s m ，t 1 1 en u x w e a l ( e n i n gc o n t r o l m e m o dh a sb e e n 蚰l d i e d t h em e t h o do fr e a l i z i n gp m s md t cn u xw e a k e n i n g c o n t r o l i st oi n c r e a s en e g a t i v ed i r e c ta ) 【i sc u r r e n t t h er e a l i z i n gm e t l l o dc a u s e st 、v o p r o b l e m s t h ef i r s ti st h a tt l l ep a 舯e t e r so fp m s mv a r yi nl a 唱e s c a l e t h es e c o n d i st h a tm ee m c i e n c yo fp m s mr e d u c e sr a p i d l yd u r i n gn u xw e a l ( e n i n gc o m r 0 1 b a s e do nm er e a l i z a t i o no fp m s md t cn u x 一、v e a k e n i n gc o m r o ls y s t e m ，t h e p a t a m e t e r sv a r i a t i o ne f f 色c to nn u x - w e a k e n i n gp e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d an e w f u z z yt o r q u ec o n t m l l e ri sp u tf o n v a r d ，w h i c hm a k et h et o r q u ec o m m a n dn e a rt o p m s mr e a la b i l i 妙i no r d e rt oi m p m v et h et o r q u e o u t p u ta b i l i t y ，an e wn u x w e a l ( e n i n gc o n t r o lm e t h o dh a sb e e ni n 仰d u c e dt oi n s u r et 1 1 em a ) ( i m u mo u t p u tt o r q u e a b i l i t yi ne a c hn u x w e a k e n i n gr e g i o n as t a t o rn u x l i l l l ( a g ec o m p e n s a t o ri sp u t f o r w a r dt os o l v et h ed i 脏r e n c eb e t w e e nr e a l l yn u x 一1 i n k a g ea n dc a l c u l a t ev a l u e t h e e 玎e c to fp a r 啪e t e r so fp m s m0 nn u 】( - w e a k e n i n gp e r f o 咖a n c ew a sa n a l y z e dt o o ， w h i c hg i v ear e f e r e n c et om o t o r d e s j g n k e y 啪r d s ：p e m a n e n tm a g n c ts ”c l l r o n o u sm a c h i n e ( p m s m ) d i r e c tt o r q u e c o n t r o l ，s w i t c h i n gf r e q u e n c y ，t o r q u er i p p l e ，s t a t o rf l u xl i r 山a g e ，n u x w e a k e n i n g c o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 闽崽学校保窝并向国家有关部分或机构送交论文的复印件和屯子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部绒部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫摘等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文燧予 1 保密口，在年解密后适用于本授权书； 2 。不保密日，适耀本授权书。 学位论文作者签名：晦罐肆 指导教师签名：枣率 期：。冲占年，月f g h卜1 期洲年7 月盯1 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 闽崽学校保窝并向国家有关部分或机构送交论文的复印件和屯子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部绒部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫摘等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文燧予 1 保密口，在年解密后适用于本授权书； 2 。不保密日，适耀本授权书。 学位论文作者签名：晦罐肆 指导教师签名：枣率 期：。冲占年，月f g h卜1 期洲年7 月盯1 第1 6 页西南交通大学博士研究生学位论文 冀以囊鬟羹冀羹羹薹鬟薹羹冀蠢雾冀冀鋈羹羹篓蚕 娄。i 燃鬟 巡癯坚鬻沼南弱刊秘，群拍剖浮娩熊酢掮j 的形挚争鲁磊帮签h 滔 掣蔷委謦墨砻萏盟罾否攫裂等囊磷i 。墨璧嚣糍甥难恻鞭慢嗵氇耀滚陬潍上哇崖 噶夏溪! 囊蒯互蕊国幅庙博猪函渗箱湍海锚美嚣驯。魏稚牲m 雕盟暂鞴张 舀籍椁越始 w 箬般始箍珧畿劣i 童翌2 唾邈填氨薄同 同 机座的纺织用异步电动机的效率和功率因数均有较大的提高( 约为3 7 左 右) ，节电效果；#常显著。 永磁同步电动机也引起了轨道交通牵引系统开发者的重视，并且得到了一 定的应用【1 5 】。日本采用永磁同步电动机实现的直接驱动系统已经在通勤电动车 组上进行了装车试验，获得了较高的系统效率并降低了噪声16 】f l 。采用直接驱 动与采用传动齿轮箱相比，可以减轻机车的总体重量并且提高传动效率。较轻 的重量和较高的效率使机车牵引能量得到节省。机车总体重量的减轻可以降低 对钢轨的磨耗，同时可以解决由于应用传动齿轮箱带来的传递损耗、噪声和维 修等问题。德国也在b r l 5 2 型机车的基础上分别采用全弹性悬挂和非弹性悬挂 的方式实现了永磁同步电动机的直接传动，并在班贝克一福希海线上进行了试 验运行，取得了良好的效果【1 ”。采用永磁同步电动机直接驱动的机车或动车在 解决上陡坡和急转弯方面具有相当大的优势，可以广泛用于城市交通系统及山 陵铁路系统并且可以大大降低建设费用。 无论是从技术上还是从成本上来看，永磁电机发展的时机已经到来。在国 外8 0 的n d f eb 是用来制造永磁电机的，而遗憾的是，国内7 0 的n d f e b 主 要用来制造磁疗设备，永磁电机在国内没有得到充分的发展，需要加大永磁同 第1 8 页西南交通大学博士研究生学位论文 “g = e + p + q 岛+ q 吩( 2 4 ) 从( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可得到永磁同步电动机在砌轴的等效电路，分别如图 2 1 和图2 2 所示。 由同步电动机的统一理论知其输出转矩为叫： 1 i = ( 一) ( 2 5 ) 将( 2 - 1 ) 代入( 2 - 5 ) ，可得到永磁同步电动机电磁转矩： 1 t2 吾靠【吩+ ( 厶一) 】 ( 2 6 ) 永磁同步电动机的磁链方程、电压方程和转矩方程构成了永磁同步电动机 的基本方程，也构成了以后章节进行分析的基础。 图2 - 1 永磁同步电动机直轴等效电路 图2 - 2 永磁同步电动机交轴等效电路 2 3 永磁同步电动机直接转矩控制系统 2 3 _ 1 直接转矩控制方法在永磁同步电动机中应用的理论依据 直接转矩控制最早是针对异步电动机提出的，其实质是采用空间矢量的分 亘壶窑婆查堂煎主塑窒圭堂堡迨皇 篁兰z基 矩调节方法：通过逆变器开关频率p l 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且低速转矩调节性能下降的缺陷。由于本文所提的开关频率优化方法采用的是六边形磁链轨迹，从而造成定 子磁链和电流的正弦度相对圆形磁链轨迹对应的定子磁链和电流的正弦度较 差、系统转矩脉动相对圆形磁链轨迹增大的缺点。虽然一定的转矩脉动增加在 机车这样的大惯性系统系统中表现的并不明显，但是电流的谐波成分将随之增 加。本文将十八边形磁链轨迹引入到永磁同步电动机直接转矩控制系统，在不 增加系统开关频率的情况下减小定子电流高次谐波含量。本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 小转矩、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。 2 4 1 六边形磁链轨迹的引入 永磁同步电动机真接转矩控制理论要求定子磁链幅值相对恒定。zhong最 的恒定。由于电机的基本控制模型是基于基波模型的，在实现控制策略时只需 保证电机定子基波磁链保持恒定即可满足永磁同步电动机直接转矩控制理论对 定子磁链幅值恒定的要求，而并不一定要采用圆形磁链轨迹来保证定子磁链的恒定。况且，在p w m 供电条件下，电机定予磁链不可能是真正的圆形而是围 绕圆周波动。虽然六边形定子磁链波动较大，但是六边形磁链的基波仍是恒定 的圆形，故永磁同步电动机直接转矩控制系统完全可以采用六边形定子磁链轨 迹。由于大功率传动系统的大功率开关器件的开关频率较低，尤其在高速域建 立圆形磁链轨迹难以实现，也只能选用多边形磁链轨迹。 第2 8 页西南交通大学博士研究生学位论文 如果继续采用圆形磁链轨迹，逆变器的开关频率不仅仅受转矩滞环比较器 输出结果的影响而且还受磁链滞环比较器输出结果的影响，从而无法有效对开 关频率进行优化。而采用六边形磁链轨迹可以使逆变器的开关频率只受转矩滞 环调节器输出结果影响，使本文所研究的开关频率优化方法能够得到应用。 六边形磁链轨迹磁链调节如图2 - 1 5 所示，具体描述请参见文献【7 1 】。 图2 - 15 六边形磁链调节示意图 2 4 2 滞环宽度p i 调节器 a 滞环宽度与开关频率之间的关系 对于采用六边形磁链轨迹的系统，可以直接将转矩滞环调节器获得的信号 作为逆变器的开关信号来简化分析滞环宽度和开关频率之间的关系。转矩滞环 调节器输出信号和逆变器开关频率之间的对应关系如图2 1 6 所示。 对于图2 一1 6 中h ，2 】开关区间，可得方程： 太介臻- 彩 l 一+ 0 o 甜o ，“ 图2 - 1 6 转矩调节示意图 堕；o 5 u 出 堕：一o 5 u 出 由( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 可以得到： 丝+ 盟：o d fd t 从图2 1 6 中可以得到： 警f l - 等社a t 等屯一争：卅a z出2出 。 l 州：2 7 其中，为开关频率。 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 将( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 相加代入( 2 2 3 ) 可以得到： f 。军+ f 2 车一 车：o ( 2 2 4 ) t d l d tf d t 一 将( 2 2 1 ) 减去( 2 2 2 ) 司以碍剑： 4 a i = 等一岛等- ( f _ f 2 ) 鲁 将( 2 2 4 ) 代入( 2 2 5 ) 可以得到： 4 a i = “+ f 2 ) 等吨- f 2 ) 鲁= 等叱训等 将( 2 2 0 ) 代入( 2 2 5 ) 化简可以得到： = 等c ，警， 将( 2 2 6 ) 代入( 2 - 2 7 ) 可以得到： 4 小将踹 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 整垫戛亘妻窒夔查堂堕塑窒皇茎焦迨皇 一 由( 2 2 8 ) 可以得到： ：半l - 一警掣i 沼：， “e l “ j 根据( 2 2 9 ) 可得到滞环宽度值和逆变器开关频率之间的关系。当转矩上 升或下降梯度较大时，系统将以很高的变化率来跟踪给定转矩，使得逆变器开 关频率变高，从而需要较大的滞环宽度来保证逆变器的开关频率不超过功率器 件的最高开关频率：当转矩上升或下降梯度变小时，系统只需较低的变化率来 跟踪给定转矩，逆变器开关频率也随之降低，这时需要较小的滞环宽度以便充 分利用功率器件的开关频率及提高转矩跟踪性能。总之，滞环宽度值需要不断 变化才能使功率器件的开关频率得到充分利用。 b 转速与开关频率之间的关系 逆变器的开关频率受滞环宽度值和转速两个因素的影响。在通常的直接转 矩控制系统中，转矩滞环宽度值是依据经验选择一个固定的值。固定经验值的 选择通常是根据系统在较高转速对转矩脉动的要求和系统开关频率的限制来确 定的【3 6 】。由于这种滞环宽度确定方法对开关频率没有太多的考虑( 大多只保证 设定的滞环宽度值使系统最大开关频率不超过功率器件所允许的范围) ，所以造 成了两个问题：一方面当系统高速运行时，为将转矩脉动限制在一定的范围内， 滞环宽度值需要设置的相对较小，这就需要功率器件具有较高的开关频率；另 一方面，如果翠歪掣羹霆茹型镶蛰翟；静 x 塑翼蓬芙攀塑森粪妻羔器羹篓雾鑫霞粤龚 嚼；* i l l 黟譬犍酾s 曩。憨| ! 一囊鬟| 慧j ： “- 1 8 i 灞浮：i i ；i 嬲凄滢隧灞溪窗臻隧浮溪舞罐颦蠢麓巨蠹蠢鬣；誉稀f p 西 鞠溉挺封群粒闲懿舀j 辇翁戮蕊黼骀举土歪矬稚谭塑基露爨塑i 霞蹦鬣鬣溘瑶 翊滏缓增与。翠森掣鹭詹盟掣委篓霉婪嚣垂农秽嚣笙霸麓弑鬻鬟善鬈蠢爱掣妻 恁增堡番箨珏态型i 罐薅淄憎峪删壤渤躞噍嘣僻馏：| 牛，例睁枣螂醚秸托型嚣翟 午在稚藤褥算；菇滴耧柏澄通滔瀵溢圆；降翻甄拜e 管映瓣抚囊鲁顷簦鹾 渗匐瞪濒澎燮霪l 蓑熙蘧楚嚣蘧懑爱碴澎漤凑霪。婺錾! 醒甥篓弱鹁列瓣鼬甜 静驰涵秘弘鲋疆融黔链坤静鹃孵静雒确蒴骑， 茹蹴篓漤型是掣毫繇黜b 醑姐 嬲醚掣幕蟊盱錾型簪誊研科秘群素缝l i j 融弛趋犁嘉褊籍。鉴毪竭潼滢爱翔 毒篓戮罄爱墓；黉蘧灞窘藏渗波琴孑载褥辇剜一番趣悬赢崮；鬻嗣嘹璃罐翳 鞠馘妇鬣跨妊蘸嚣等刮镑铽弱翊鳓疆魏鬻黔h 黧缎譬列裂俾螂錾叠秫明援殚酆 莉嗣l o i j ；錾 蠢滋始配躲嚣划州酏辎翟邕稳潍蹦黧鹦豁驰如聪裂 拜莩磐管氟 茧拳舞鞭载甏蠢瓷瓤筑鬟并甍蕊瀣副戮釜麓豁舞鹭簦麓躲髅羹藓翳翌l ：妻鼍演 懑辫磺臻鬟蛰i 一缝鞠鞠葬露麓了傺证系? 麓承酸酷褥鳍醚酾酸霸褥羹蠢。 鞘掣剥髫皲靶酾越蛙明硼丽彰二翔嘲澎缬憾澎潲唯嚆美蓦滋饕需要挚i 勺 t 程眶j 藉整翠歪掣羹霆茹型镶蛰翟；静 簿3 2 页磷南交通大学博士研究童学位论文 根据文献 7 l l 关于功率器髂最大开关频率和滞环鼹皮之间的关系，可以方 谨麓设定嚣醛宽菠p i 谣节器静谗隶篷，钛丽橡迁递变器静开关菝率不越过葵率 器件的额定最商开关频率，僳证整个系统的安全运行。 图2 1 9 为谯给定转速憔定时开关频潦p j 调节得剥滞环宽度值的过程。通 避开关频率傀纯靛簿凌辜嚣纷工箨在额定舞：关鬏率辫伴，毽是游环宽度交零稻 对经验僖增大了，篮高速运行时幅度增加稽对较大，戮此不可避免的带来了较 大的转矩脉动，但是却很好的满足了系统开关频率的翳求。图2 2 0 魁在充分利 耀毯率器佟冕：装熊力熬条转下疑辩不弱熟转速撂到麴滞球宽疫毽秘转速之翔靛 大致关系。随潜转速静爵麓，系统酶嚣关凝率疆之增熬，秀了傈谣系统工终奁 劝率器件的爆优开关频率附瓣，由开关频率p i 调节器得到的转矩滞环宽度值随 戳2 伯r 转遮恒定时开关频率p i 调节 得到滞环宽度值：器濑图 2 。毒。3 定子惑滚谐凌斡妻奎疆 一 图2 - 2 0 并关频率优化过程中转速 和滞环宽度关系示意图 由于六边形磁链轨迹并日# 理想圆形，所以其对应的定子电流必然含有谐波 分爨轰透髟磁链魏迹对庭鲍定子龟浚魏瀚2 之l 嫠示。定子毫流颓潜分辑舞委 2 心2 所示。献对定子电流静频谱分析可以知遒，5 次辩7 次谐波禽爨最大，实 践 芷明，它们对系统和电网的千扰最为严照【7 2 】，必须设法削弱其影响。 第3 4 页西南交通大学博士研究登燮篷论文 所示。文献【6 8 】和【6 9 】得出了獭永磁同步电动机在5 h z 下转动、负载角艿在3 0 。 9 e 4 莲萤肉交豫、选择控潮瘸麓是o = 8 阮s 律为零毫嚣窆藏矢量豹 譬糟露阗鞋， 零电压空间矢嫩在一个控制周期内产生的转矩落差不会超过额定转矩o 3 的 结论，所以认为系统低速避行时零电压空间矢量对转斑的减小作用很小。文献 【6 s 】鞠【6 翅提逛掇零电压空溺必量矮子绦黪当蘸转踅豹雩# 翅，鞋减，l 、滋交器瑟关频率和转矩脉渤。在文献 3 6 】中，整个开关表则完全没肖采用零电聪空间矢量。譬堋s 趴j( 2 - 3 0 ) t“。 6 4 = q - 6 f( 2 3 1 ) a 4 = q a f( 2 3 2 ) 毽是文融【6 鞠和 6 9 】在送彳亍分拆霹，存在三个嚣要注意静方霹： a )其假设控制周期作为零电压空间矢量的作用时间，认为零电逛空间矢 量的作用时间为几十微秒。而谯实际的运行系统中，零电聪空间矢量 豹终溺瓣溺窝系凌熬舞关簇搴鸯哭，一般在尼嚣徽移左表【捌； b ) 文献 6 8 】的结论是针对极对数为一的电机得出的。当对于多对极电机， q 怫，( 2 3 1 ) 中电机机械角速度q 应该用电机电角速度q 来代替。 电受瀵痿缱= 挥。够，嚣鼗终矮教祭相应要提惑撵。菇； c )电机遮行过程中，负载角通常夜3 0 度哥4 5 度之间变化，磷并非文献 6 8 】和【6 9 】所采用的3 0 。9 0 。，因此( 2 - 3 0 ) 中c o s 占项的计簿值将得以 提高 7 0 1 。 穰据戳上三煮，钟j c 重本文磷究的永磁麓步电动掇爨搂转矩控锫系统，当系 统以1 5 0 转分的转速低逮避行时零电服空间矢量对予转矩的作用约为额定转 第3 6 页西南交通大学博士研究生学位论文 图2 2 5 采用的电压矢量作用示意图 丑b岛 只 嗥日 pf 日岛岛 只 只巩 u 1 10 】u 和1 0 )u 呻“)u 0 吣nt v l d i )u l n 咖) w 1 l i )u 椰帅)u “l )u 柙0 u k l l i )u l “l lo )u 蚋l0 )u i ( 0 1 1 )u 5 1 )w 1 0 1 )u i ( 1 嘞 【枷o i )u l ( 1 )u i l io )u 抽l u ( 0 1 i ) 嗨m 0 1 ) lo w l i i )u * u m l l )u 删qu m “)u o ( o 嘞 u 如i 雌u 0 1 1 )w 1 】u “1 0 1 ) u 1 ( 1 d 呻u 羽fo ) - l u i ( i o i )u l ( 1 唧u m l 砷u 3 一l 畸 u ( 0 1 1 )u 柳i ) u 吼“1 )u )u m l l lu 柙o 竹 u m i l j 盹( i )u n 0 1 )u t i 删u 棚l 碣呻l 竹u 帕l i ) 1 u 扣l 。)u 柙l i ) 嗨i )u m 0 1 )u 1 “蚴u l i o ) 衰幂霄ji 增太转目 1 一鼻示霄叠li 小轴艇并且量位 千轾小的 o0u 删u x l l l ) u 以1 1 )u 胡0 0 0 ) u 1 1 1 ) 开用e 压n 耳瓢囊进行町z4 一羊，毒属疆十r 尾曩 1 u 0 0 1 )w l o i 】u ( 1 唧嘣i l u 如lo ) u f o l l ) 话抒时 表2 - 2 本文所采用的开关表 表2 - 3 文献【6 8 】采用的开关表 2 4 5 永磁同步电机直接转矩控制系统转矩调节新方法效果分析 j i ：j 蘸霹j ；j i ；豳| | j 图2 - 2 6 圆形磁链轨迹 图2 2 71 8 边形磁链轨迹 氧斟愁耩 溯趟 一 一 图2 - 2 8 圆形磁链对应的相电流图2 - 2 91 8 边形磁链对应的相电流 亘塑窒塑盔兰竖塑窒塞堂焦鲨塞 蔓1 2 基 急剧下降时，如果继续选用零电压空间矢量来降低转矩，由于零电压空间矢量 在低速时对于转矩减小作用的有限性势必导致调节时间加长、系统响应速度下 降。此时应选择有效电压空间矢量来加快转矩的调节速度，从而保证直接转矩 控制系统转矩响应快的特点。图2 3 6 中的转矩响应时间大约在1 1 毫秒左右， 而图2 3 7 中的转矩响应时间大约只有6 0 0 微秒。 图2 3 8 和图2 3 9 是新的转矩调节方法在第五章实验平台上得到的实验波 形。由于大功率永磁同步电动机尚未设计完成，所以该转矩调节方法只在小功 率电机上完成。由于小功率系统采用的功率器件开关频率完全能够满足圆形磁 链轨迹的要求，但为了应用开关频率优化方法，在实验过程中假定功率器件的 最优工作频率相对较小。后续章节的实验也是在小功率电机上完成的。为了充 分说明磁链观测方法和弱磁控制方法的有效性，后续章节中电机的控制仍采用 圆形磁链轨迹。从实验波形和前面的仿真结果分析可以发现，实验得到的转矩 波形受相对变化的滞环宽度值影响，并且转矩也保持了较好的的响应速度。从 图2 3 8 中可以得到转矩的响应时间大致在6 5 0 微秒左右，与上面的理论分析相 当。从图2 3 9 得到的电流波形可以发现，电流谐波含量还是较多，没有仿真结 果的理想，但是相对六边形磁链轨迹对应的定子电流仍然有一定的改善。 一i ；- ， _ _ 。j 一：? _ 1 、 、 1 j i j j “，_ l _ l 。 、 图2 3 8 采用新的转矩调节方法得到的转矩实验波形 西南交通大学博士研究生学位论文第4 3 页 步电动机低速稳态运行时选用零电压空间矢量减小转矩，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。 x 墼笾夏受悫窒望盔堂蠖土壁窒塞堂堡迨窒 第3 章永磁同步电动机直接转矩控制系统定子磁链 3 。1 引言 观测方法研究 定子磁键观测是直接转矩控制系统的筵要环节之一。直接转矩控制实行的 燕对磁链和转矩的直接控制服转矩反馈慎也是通过磁链计算得到的，所以保持 崽子磁链恒定憝赢接转矩控制的基本要求之一。定子磁链的准确观测与否，一 方瑟影确着窒闯电压矢鲎瓣选择，舔可能密子露溅误麓秃法准确嚣凝磁链所在 的扇区：另一方面，观测误麓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肖效控制对于提高直接转矩控制系统的性能有着重 葵懿意义。 为提高磁镀观测的准确性，在异步电动机直接转矩控制系统中多种改进型 积分器得到了戚用【7 7 】，同时也出现了对定予电阻的各种补偿方法。观测裂7 8 】 7 9 】、 蠢逶应控刳8 。删】、交绩毒句控铡蹦【s 3 1 戳及李枣经网络鹦4 j 删秘智毙控刳方法等现代 控制方法也被用于定子磁链的观测。 由于永磁同步电动机赢接转矩控制仍处于发展阶段，目前大多采用对反电 势逑萼亍积分的方法得到定予磁链【3 6 】。纯积分的观测方法在低速时出予受定子电 黻嶷纯翡彩嗡，导致定子磁链溪溅结暴发象傣移。文献1 8 q 、【s 7 】在分耩定予窀 阻变化对定予磁链观测效果影响的基础上，分别提出了采用p i 调节器和滤波器 对定予电阻进行补偿的措施试图减小定予电阻变化带来的影响。 弱嚣藜麓囊，怼予瘩磁鞫多电动凝蠹按转矩控辜l 系统定予磁镀熬淡溺方注 研究相对较少。本文借鉴舜步电动机定子磁链观测方法的发展轨迹，对永磁同 步电动机定予磁链观测方法：i 行了研究，期望实现对定子磁链的准确观测，从 露达到改善表溅嚣步宅动瓿藏接转矩控割系统蛙藐戆嚣戆。本文弓| 入j u n 量u 赞 舔麓交通丈拳博士努 突塞堂壤避一一 蔓箜蔓 对异步电动机所提出的改进溅积分器对水磁同步电动机直接转矩系统磁链进行 了臻爨，癸禚了其在壹羧转矩控键系缝应露过程孛存在鬟醚癸蟊缭定瑟在缓溪 熬控制器参数酌缺陷。为了瓷腋该缺陷。本文提出了雳电机状态方程获得磁 链反馈值的改进方法。通过j u nh u 所提出的改进型积分器获得的寇予磁链很好 躺强褥了辍缎继慧，霹墩对躺莲遵行准确鹬熬叛，虫魄拣壤态方程褥爨熬定子 磁链姥准确舔淙磁链豹螭德信惠，获舔璃藩造轰静殴避鍪积分器黥够在永磁丽 步电动机直接转矩控制系娩较宽的调速范围对定子磁链进行观测。 由于电枫参数在运行道程中变化较大，巍了提鼹定子磁链观测器对电机参 数交筵嚣鲁襻毪，本文奁将露数矮转予纛疆定义麓稔天交量孵基箍上设诗 了永磁同步电动机定子磁镳全维状态观i 鲢| 器，对比了您子磁链全维状态观测器 和纯积分器在窿子电阻变他过程中对定予磁链的观测散果。采用寇予磁链全线 状悫囊撬器筑承磁嚣步窀韵瓠壹接转艇控锻系统辩定子惫溪变琵嶷察一定赘蛰 襻悭，从而可泓较准确的聪测定子磁链，这证明了定予磁链全维状态观测器的 优越性。但是垒维状态观测器是针对线性时不变定常泶统设计的，实际上电机 程运行过程审参数交拖稳辩较大，鱼她逡艘寒磁嚣步蛰毯辍是一个晷雩变露蒌定 常系统。因诧，仍然接线靛时不变系统设计瓣定予磁链全维状态鼹涮嚣褥委酶 磁链误差不可能趋于零，为了克服系统的时变性、在浆数矩阵中的参数确切值 不缎道豹情况下也毙实现对定子磁链鳃壤确戏测，本文提出了基予模型参考自 懑应靛采磁嚣爹逢魂魏定予磁键疆裁方法。褥龟辊运行过程孛交馥最大费参鼗 一定子电阻作为可变参数，以定子磁镳为状态交爨的电机状态方程作为参考 模型，将定予磁链状态观测器作为可调模激，通过对逛予电阻自适应律的推导 褥凄定子磁链嚣适瘟囊瓣髅，这释蠡透应鼹溺器霹定予磁链嚣嚣静准臻度芟褰、 对电机参数变化的鲁棒僬愿辍。 虽然定予燃链全维状悉观测器和定予撇链自适应观测器很好的解决了定子 磁链鼹囊溺海毯，塑是在实舔王程应震中存在结鞫复杂、运篓嚣潮妖熬疑点。 文献f 0 5 】定义了种结梅鞫对简单鞠患予磁链开环鼹溅模型，该飘涮模螯由予 不禽定子电阻琐，所以在低迷时具有较好的定子磁链观测效果。耐遴运行时， 斑子定孑电嫩燮傀造戏豹影响熬减小，疑憩势积分法w 双较准穗的鼹溺磁键。 第4 6 页茵南交通大学博士研究生学位论文 如果在低速时采用文献【1 0 5 】所提的磁链观测模型，高速时采用反电势积分法对 磁链进行观测，就可以在各个速度区段获得较好的磁链观测效果。但两个模型 之间快速平滑的切换不容易实现，并且纯粹简单的将两个模