交流電機高速化驅(qū)動關(guān)鍵控制技術(shù)研究.pdf

1、交流電機高速化驅(qū)動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、電動汽車、高速動車組牽引等領(lǐng)域,在重要自動化裝備中發(fā)揮著重大作用。本文在深入分析國內(nèi)外相關(guān)研究文獻的基礎(chǔ)上,以交流電機高速化驅(qū)動控制為主要研究內(nèi)容,以開發(fā)高性能高速主軸驅(qū)動系統(tǒng)為主要目的,針對其中的若干關(guān)鍵問題進行了深入的分析和研究。
　　感應(yīng)電機和永磁同步電機,是數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)中廣泛采用的兩類執(zhí)行電機。按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方案,可實現(xiàn)交流電機轉(zhuǎn)矩與磁鏈的解耦控制,是實現(xiàn)高性能調(diào)

2、速的理想控制方案。本文首先詳細分析了感應(yīng)電機間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制方案和永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁場定向控制方案,建立了交流電機統(tǒng)一控制結(jié)構(gòu),并分析指出實現(xiàn)高速化驅(qū)動控制需要解決的關(guān)鍵問題,即:保證電機能夠最大化輸出轉(zhuǎn)矩的電流優(yōu)化分配策略、電壓優(yōu)化控制和磁場定向優(yōu)化方案。
　　電流如何優(yōu)化分配是高速化驅(qū)動系統(tǒng)的核心問題,在高速弱磁區(qū)為了盡可能地發(fā)揮出電機自身的最大轉(zhuǎn)矩輸出能力(即轉(zhuǎn)矩最大化輸出),其關(guān)鍵在于滿足電機運行約束條件下,如何協(xié)調(diào)分

3、配磁場電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量。本文分別研究了感應(yīng)電機和永磁同步電機的電流分配問題,深入分析了電機運行的約束條件,推導(dǎo)出全頻率范圍實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩最大化輸出的理論最優(yōu)電流矢量控制軌跡,以此為依據(jù)設(shè)計了考慮負載補償和電壓協(xié)調(diào)控制的全頻率范圍閉環(huán)電流優(yōu)化分配策略,以充分發(fā)揮出電機的最大轉(zhuǎn)矩輸出能力。
　　電機運行于弱磁區(qū)時,旋轉(zhuǎn)反電動勢接近于逆變器最大輸出電壓,能供給電流調(diào)節(jié)的動態(tài)電壓裕量十分有限,采用PWM過調(diào)制方法提高直流母線電壓利用率,對

4、于提高電機的帶載能力、加快動態(tài)響應(yīng)速度,特別是弱磁運行具有重要意義。本文深入分析了過調(diào)制策略中電壓矢量軌跡的修正方式對磁場定向閉環(huán)系統(tǒng)的影響,提出了一種適合磁場定向控制系統(tǒng)的全范圍電壓輸出SVPWM策略,拓寬了電壓輸出范圍,有助于系統(tǒng)在弱磁運行區(qū)實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩輸出。
　　采用矢量旋轉(zhuǎn)變換實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩與磁鏈的解耦,同時使得d、q軸電流控制之間產(chǎn)生了交叉耦合,這對系統(tǒng)在高頻區(qū)的電流控制產(chǎn)生較大影響。本文深入研究了采用同步PI調(diào)節(jié)器的電流控

5、制方案中耦合項電壓對電流調(diào)節(jié)特性的影響,指出在高頻區(qū)這種形式的電流調(diào)節(jié)器動態(tài)調(diào)節(jié)能力會嚴重惡化,據(jù)此設(shè)計并實現(xiàn)了一種具有Anti-windup的復(fù)矢量PI調(diào)節(jié)器替代傳統(tǒng)的同步PI電流調(diào)節(jié)器,以消除耦合電壓對電流調(diào)節(jié)的負面影響,使系統(tǒng)在高頻區(qū)的電流控制性能得到較大提高。
　　感應(yīng)電機間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制方案中采用電流模型觀測磁場相位角度,當電機在較寬的頻率范圍運行時,轉(zhuǎn)子時間常數(shù)發(fā)生變化以及鐵耗的影響都會使轉(zhuǎn)子磁場相位觀測值偏離實際