基于定子磁鏈控制的IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究.pdf

1、永磁同步電機(jī)由于具有高功率密度、高功率因數(shù)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車、數(shù)控機(jī)床以及航空航天等領(lǐng)域。永磁電機(jī)作為相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的執(zhí)行元件，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的好壞，直接影響著整套設(shè)備的整體性能。因此，本文選擇永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為研究的重點(diǎn)。鑒于在永磁同步電機(jī)中凸極機(jī)比隱極機(jī)具有更高的轉(zhuǎn)矩電流比、更寬的調(diào)速范圍和更強(qiáng)的弱磁控制能力，且現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)隱極式永磁同步電機(jī)控制策略的研究也比較詳細(xì)，而凸極機(jī)

2、由于其dq軸電感值不相等，導(dǎo)致有關(guān)控制策略的開發(fā)難度相對(duì)比較大，因此本文以凸極式永磁同步電機(jī)(IPMSM)為主要研究對(duì)象，利用新提出的定子磁鏈控制方案來獲得較高的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和較低的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)輸出。在定子磁鏈控制方案中，由于直接使用空間電壓矢量調(diào)制算法(SVPWM)來合成參考電壓矢量，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)附帶很高的共模電壓輸出。
　　本文通過使用修正PWM調(diào)制算法來減小驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的共模電壓，避免電機(jī)轉(zhuǎn)軸軸承的過早損壞，進(jìn)而提高IPMSM的

3、可靠性。另外，鑒于IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中功率開關(guān)管是一個(gè)容易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，為使IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)運(yùn)行能力，針對(duì)逆變器的單相橋臂故障，本文選擇三相四開關(guān)逆變器作為驅(qū)動(dòng)器故障后的容錯(cuò)運(yùn)行拓?fù)?，并將定子磁鏈控制引入到IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行控制當(dāng)中。首先，推導(dǎo)了基于凸極式永磁同步電機(jī)的定子磁鏈關(guān)于時(shí)間的微分方程，分別建立了凸極機(jī)在靜止坐標(biāo)系下和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下以定子磁鏈為狀態(tài)變量的狀態(tài)空間模型。提出了一種基于定子磁鏈控制的直接

4、轉(zhuǎn)矩控制方案，并分別在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下和靜止坐標(biāo)系下實(shí)施。在該方案中，首先分析了定轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的位置關(guān)系，并將系統(tǒng)的速度外環(huán)輸出作為轉(zhuǎn)矩角的期望值，進(jìn)而計(jì)算出下一時(shí)刻定子磁鏈?zhǔn)噶康钠谕?其次，構(gòu)建無差拍全階狀態(tài)觀測器，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈的閉環(huán)觀測;通過設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋增益矩陣將系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)放置在z平面的正實(shí)軸上，并預(yù)留一個(gè)參數(shù)來改變閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)位置，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能;最后，根據(jù)系統(tǒng)的定子磁鏈誤差矢量和所選擇的狀態(tài)反饋增益矩陣來計(jì)算參考電壓矢

5、量，并將其送入SVPWM模塊中。該方案與傳統(tǒng)的PI+SVM DTC控制方案相比，移去了轉(zhuǎn)矩環(huán)，只通過定子磁鏈環(huán)來控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩輸出，因而具有更快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度;同時(shí)直接以電機(jī)內(nèi)部的定子磁鏈為控制目標(biāo)，系統(tǒng)輸出的諧波含量更低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制方案的有效性和優(yōu)越性。其次，為避免定子磁鏈控制方案中因采用SVPWM調(diào)制方式所產(chǎn)生的共模電壓對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸軸承造成的電腐蝕，本文利用AZPSWM1調(diào)制算法和NSPWM調(diào)制算法來降低驅(qū)動(dòng)器輸出的共模電

6、壓幅值。鑒于在逆變器正常運(yùn)行過程中死區(qū)時(shí)間是必不可少的，本文分別分析了死區(qū)條件下，采用AZSPWM1和NSPWM調(diào)制算法的逆變器的共模電壓輸出情況，分析了共模電壓抑制算法失效時(shí)所需滿足的負(fù)載功率因數(shù)條件和參考電壓矢量所處的扇區(qū)位置。隨后，通過限制有關(guān)電壓矢量的最小作用時(shí)間來消除驅(qū)動(dòng)器輸出的共模電壓尖峰，并分析了此最小作用時(shí)間對(duì)AZSPWM1和NSPWM適用調(diào)制范圍的影響。最后，將修正后的AZSPWM1和NSPWM相結(jié)合組成混合調(diào)制模式，

7、實(shí)現(xiàn)了在全功率因數(shù)條件下寬調(diào)制范圍內(nèi)對(duì)共模電壓的有效抑制;并將此混合調(diào)制算法應(yīng)用在定子磁鏈控制系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的共模電壓抑制算法的有效性。最后，為使驅(qū)動(dòng)器具有一定的容錯(cuò)運(yùn)行能力，針對(duì)驅(qū)動(dòng)器的單相橋臂故障，本文選擇三相四開關(guān)逆變器作為其故障后的容錯(cuò)運(yùn)行拓?fù)?。首先，分別介紹了針對(duì)不同故障相的三相四開關(guān)逆變器的基本特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的無扇區(qū)SVPWM調(diào)制算法。其次，針對(duì)逆變器A相故障，分析了直流母線中性點(diǎn)電壓基波分量與定子電流β

8、軸分量之間的關(guān)系，基于此關(guān)系設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單算法來替代二階低通濾波器從直流母線中性點(diǎn)電壓中提取直流偏置，并通過PI控制器構(gòu)成閉環(huán)回路實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線中性點(diǎn)電壓中直流偏置的有效抑制。隨后，分別針對(duì)B相故障和C相故障，修正了上述中性點(diǎn)電壓控制方案。再次，針對(duì)三相四開關(guān)逆變器低頻段線性調(diào)制范圍比較小的問題，本文在分析了逆變器最大線性調(diào)制度與負(fù)載功率因數(shù)之間的關(guān)系后，提出了一種在不改變直流母線現(xiàn)有條件的前提下增大逆變器低頻段線性調(diào)制范圍的控制方案，