電勵磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論研究及實(shí)踐.pdf

1、電勵磁同步電機(jī)(ESM)具有功率因數(shù)可調(diào)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，無論在航空工業(yè)還是地面工業(yè)大功率場合均獲得了廣泛應(yīng)用，所以研究和開發(fā)高性能的ESM驅(qū)動系統(tǒng)具有重大的經(jīng)濟(jì)價值和社會效應(yīng)。目前開發(fā)高性能ESM驅(qū)動系統(tǒng)所采用的控制方案主要有兩種：一種是磁場定向矢量控制(FOC)；另一種是直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。FOC ESM系統(tǒng)動態(tài)性能明顯較標(biāo)量控制系統(tǒng)性能提高了很多，但ESM轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu)和較大的轉(zhuǎn)子回路時間常數(shù)使得ESM FOC系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)真正意義

2、上的解耦控制。DTC思想把電機(jī)和逆變器作為一個整體，在定子靜止坐標(biāo)系中利用逆變器輸出電壓矢量直接控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得了快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。若在ESM上采用DTC恰恰可以彌補(bǔ)FOC的缺陷，達(dá)到轉(zhuǎn)矩的直接而快速控制。在國外，1998年前后瑞士ABB公司和芬蘭拉彭蘭塔理工大學(xué)合作研究了ESM DTC的部分內(nèi)容。出于商業(yè)保密考慮，他們沒有詳細(xì)給出實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，甚至沒有給出最優(yōu)開關(guān)表的具體構(gòu)成。從他們所公開的不完整資料中無法獲知ESM DTC的完整

3、理論構(gòu)架。在國內(nèi)，1997年至2001年南京航空航天大學(xué)針對無阻尼繞組ESM DTC也開展了初步的理論研究，但沒有進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)踐研究。因此，無論在國內(nèi)還是在國外，ESM DTC系統(tǒng)的研究還缺乏全面深入的理論研究，還沒有建造起ESM DTC系統(tǒng)的理論體系構(gòu)架。本文的主要任務(wù)和目的就是比較全面和深入地完成這一理論構(gòu)架，為以后更深入地、廣泛地研究ESM DTC技術(shù)，打好一個堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。本論文主要內(nèi)容如下： 對交流電機(jī)低轉(zhuǎn)矩磁鏈脈動

4、型DTC策略進(jìn)行了綜述，指出低轉(zhuǎn)矩磁鏈脈動型DTC控制策略有：運(yùn)用空間矢量調(diào)制(SVM)技術(shù)輸出多個電壓矢量、采用新型逆變器輸出多個電壓矢量、用多相逆變器控制多相電機(jī)、引入現(xiàn)代控制理論等。對交流同步電機(jī)無位置速度傳感器運(yùn)行及轉(zhuǎn)子初始位置估計技術(shù)進(jìn)行了綜述，結(jié)果指出目前無位置速度傳感器技術(shù)主要有兩大類：基于基波量的檢測法和基于外加信號激勵法。對于初始轉(zhuǎn)子位置估計法有：基于定子電感檢測法、高頻交替磁化法、高頻信號注入法、基于磁路飽和特性等，

5、電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置估計研究還很少。 分析研究了有阻尼繞組電勵磁同步電機(jī)氣隙磁鏈性質(zhì)，結(jié)果指出氣隙磁鏈為一個時間常數(shù)較大的慣性環(huán)節(jié)，ESM DTC正是基于此，利用定子側(cè)的電壓矢量迅速控制定子磁鏈?zhǔn)噶康哪?、旋轉(zhuǎn)方向及旋轉(zhuǎn)角度，迅速改變定子磁鏈?zhǔn)噶亢蜌庀洞沛準(zhǔn)噶恐g的夾角(定義為轉(zhuǎn)矩角)，實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的迅速控制。仿真和實(shí)驗(yàn)證明了上述分析的正確性。 從轉(zhuǎn)矩角控制轉(zhuǎn)矩入手，詳細(xì)推導(dǎo)并分析了有阻尼繞組ESM電磁轉(zhuǎn)矩。運(yùn)用仿

6、真手段研究了DTC控制ESM中直/交軸阻尼繞組對電機(jī)動態(tài)行為的影響，研究結(jié)果表明：交軸阻尼繞組有利于電機(jī)動態(tài)性能的改善；直軸方向上定子繞組、阻尼繞組及轉(zhuǎn)子勵磁繞組相互耦合，會形成振蕩，導(dǎo)致直軸阻尼繞組對電機(jī)動態(tài)性能的改善不明顯，甚至有危害；對于電動運(yùn)行的ESM不宜采用直軸阻尼繞組；主轉(zhuǎn)矩角與主轉(zhuǎn)矩在主轉(zhuǎn)矩角零點(diǎn)附近變化趨勢始終一致。 分析了ESM DTC系統(tǒng)弱磁控制原理，從提高ESM DTC系統(tǒng)全速度范圍內(nèi)綜合指標(biāo)出發(fā)，針對DT

7、C控制ESM提出一種全速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子勵磁電流控制策略。指出在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)宜采用轉(zhuǎn)子電流內(nèi)控法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)功率因數(shù)等于1；在弱磁恒功率區(qū)宜采用轉(zhuǎn)子電流外控法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)外功率因數(shù)等于1；轉(zhuǎn)子電流內(nèi)控法和外控法在額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)處直接轉(zhuǎn)換，不需要插入過渡區(qū)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無論恒轉(zhuǎn)矩區(qū)或弱磁恒功率區(qū)，電機(jī)功率因數(shù)均較高；由恒轉(zhuǎn)矩區(qū)到弱磁恒功率區(qū)過渡很平滑。 針對ESM提出一種基于定子磁鏈誤差矢量補(bǔ)償?shù)腟VM-DTC結(jié)構(gòu)。運(yùn)用仿真和實(shí)驗(yàn)手段對基

8、本DTC和SVM-DTC兩種ESM驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)對比研究，結(jié)果表明：SVM-DTC具有基本DTC系統(tǒng)簡潔結(jié)構(gòu)的同時大幅度減小了轉(zhuǎn)矩、磁鏈、電流的脈動；降低了起動電流的沖擊幅度；功率管開關(guān)頻率基本恒定；弱磁方法依然適用。 針對無阻尼繞組ESM SVM-DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩角控制轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)，提出并設(shè)計了一種變比例系數(shù)轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器，旨在實(shí)現(xiàn)SVM-DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的快速而準(zhǔn)確控制。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)起動轉(zhuǎn)矩快速而準(zhǔn)確地跟蹤上給定值，系

9、統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行平穩(wěn)。這種變比例系數(shù)的調(diào)節(jié)方法對永磁電機(jī)也特別適用。 一般ESM DTC系統(tǒng)中沒有直接檢測定子端電壓傳感器，但有定子繞組和轉(zhuǎn)子勵磁繞組電流傳感器。本文基于轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流脈動電流，在三相短路的定子繞組中感應(yīng)出電流的原理，提出基于定子感應(yīng)電流和轉(zhuǎn)子勵磁電流檢測的兩種初始轉(zhuǎn)子位置估計方法－閉環(huán)法和開環(huán)法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)子初始位置機(jī)械角度估計誤差在±2度范圍內(nèi)；SVM-DTC系統(tǒng)能夠以給定的最大轉(zhuǎn)矩順利起動。 分

10、析研究了基于兩電平逆變器供電ESM基本DTC和SVM-DTC中影響起動沖擊電流的因數(shù)?；诨綝TC結(jié)構(gòu)提出一種約束矢量作用時間的改進(jìn)型基本DTC，基于補(bǔ)償定子磁鏈誤差矢量的SVM-DTC結(jié)構(gòu)提出一種電流主動控制的SVM-DTC。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了上述兩種新型DTC系統(tǒng)對降低起動沖擊電流幅度的有效性。仿真研究了基于多電平逆變器供電ESM SVM-DTC系統(tǒng)對起動沖擊電流的抑制效果，結(jié)果表明，由于多電平逆變器輸出電壓矢量幅值能隨電機(jī)轉(zhuǎn)速