轨道交通中永磁同步电机控制关键技术研究

论文摘要

近些年,永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）逐步应用于轨道交通系统中。轨道交通系统的牵引传动单元具有高电压、大电流、宽运行速度范围的特点,同时要求牵引电机具有在低开关频率及方波工况下的运行能力。当PMSM应用于轨道交通牵引传动系统时,方波工况下的电机控制为弱磁控制,其转矩控制性能的优劣对轨道交通系统的高速安全稳定运行具有十分重要的作用。本文对PMSM控制的关键技术进行了研究,包含弱磁控制策略、电流轨迹控制策略、电机参数测量方法与补偿策略和高速分相区的运行控制策略。论文的主要研究内容如下:基于PMSM数学模型,在电流平面、电压平面和磁链平面对运行限制曲线进行分析,明确了以电流平面为最简研究平面,以电流轨迹为控制目标的研究思路。在电流平面中,集中研究了现有不同PMSM控制策略下电流轨迹的特点及相互间的关系。在非弱磁区需要选择一个弱磁控制的前置控制策略,在弱磁区需要设计合理可控的电流轨迹。为了实现方波工况下单一自由度的电机运行控制,本文提出了一种单q轴电流调节器-变电压矢量角（Single q-axis Current Regulator-Variable Voltage Angle,SQCR-VVA）弱磁控制策略。为了保证弱磁控制中电压矢量角对转矩可控的严谨性,验证了全工况情况下电压矢量角与转矩间的单调性与有效的电压矢量角调节范围。SQCR-VVA弱磁控制通过单一的电流调节器实现了牵引和制动状态下无弱磁控制器切换的控制,并提高了系统的动态响应性能;在小信号范围内,对弱磁控制的电流闭环系统的可控性进行了阐述,并给出了设计电流控制器的参数范围。为了使输出转矩满足轨道交通中不同转矩牵引特性曲线的要求,提出了一种电流轨迹控制策略,包含非弱磁区的曲线拟合控制,弱磁区改进的电流工作点两步调节法控制和改进的非弱磁与弱磁切换控制。电流工作点两步调节法的控制目标为电流幅值最小,切换控制的切换判据变量选择电压与频率。在恒速变载和恒载变速的电流轨迹基础上,通过电流轨迹控制策略设计了百分比衰减转矩档位和百分比限制转矩档位的电流轨迹。为了控制系统转矩输出的精度,提出了一种系统性的离线参数测量方法与一种适用于方波工况的在线参数补偿策略。在系统低开关频率特性的限制下设计简单的测试工况来实现6种不同参数的离线测量。利用弱磁控制中电机参数不准对d轴电流响应的影响,在线参数补偿策略通过双误差分别补偿q轴电感和d轴磁链,实现了转矩精度的提升。为了将所提的弱磁区的控制策略应用于实际大功率永磁同步电机牵引传动系统,本文采用仿真与实验的统一工程进行相应的验证。对于实际轨道交通系统中高速分相区内的惰行运行控制,分析了 SQCR-VVA弱磁方法对低制动转矩工况的可控性。对于高速分相区内封锁脉冲情况,确定了系统的异常不控整流状态,推导了充电电流的响应并提出设置安全转速。对于方波工况的带速重投工况,依据重投逻辑,提出了一种基于q轴电流为零的重投控制策略,实现了无电流冲击的重投功能。最后,180kW永磁同步电机实验平台的地面试验结果和1.2MW平台的现场试验结果验证了本文所提的控制策略。实验结果表明SQCR-VVA弱磁控制策略、电流轨迹控制策略、电机参数测量方法与补偿策略和方波工况的带速重投控制策略在轨道交通实际系统中应用时具备优良的性能。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 图表中符号与缩写表
• 1 引言
•   1.1 论文研究的背景和意义
•     1.1.1 轨道交通中永磁同步电机牵引传动系统的应用
•     1.1.2 论文研究的意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 永磁同步电机弱磁控制策略
•     1.2.2 永磁同步电机参数变化和辨识控制策略
•     1.2.3 永磁同步电机高速下特殊工况控制策略
•   1.3 方波工况下控制存在的问题和研究点
•     1.3.1 弱磁控制
•     1.3.2 电机参数辨识
•     1.3.3 惰行及带速重投控制
•   1.4 论文的主要内容
• 2 永磁同步电机基本理论
•   2.1 永磁同步电机数学模型及控制实现方式
•     2.1.1 永磁同步电机数学模型
•     2.1.2 永磁同步电机牵引传动系统的控制
•   2.2 永磁同步电机运行限制
•   2.3 在不同平面上的运行限制曲线
•     2.3.1 不同平面之间的变换关系
•     2.3.2 电流平面的运行限制曲线
•     2.3.3 电压平面的运行限制曲线
•     2.3.4 磁链平面的运行限制曲线
•     2.3.5 三个平面的综合对比
•   2.4 电流平面内不同控制策略的电流轨迹
•     2.4.1 d轴电流为零控制的电流轨迹
•     2.4.2 功率因数为1控制的电流轨迹
•     2.4.3 恒磁链控制的电流轨迹
•     2.4.4 MTPA控制的电流轨迹
•     2.4.5 MTPV控制的电流轨迹
•     2.4.6 弱磁控制的电流轨迹
•     2.4.7 最优电流轨迹的选择
•   2.5 本章小结
• 3 永磁同步电机弱磁控制策略
•   3.1 传统的电压矢量角弱磁控制策略
•   3.2 电压矢量角与转矩间的关系
•   3.3 电压矢量角的调节范围
•     3.3.1 电压矢量角在电流平面的特性
•     3.3.2 弱磁控制下电压矢量角的有效调节范围
•   3.4 单电流调节器的设计
•     3.4.1 基于单q轴电流调节器-电压矢量角的弱磁控制
•     3.4.2 系统稳定性分析
•   3.5 仿真与实验
•   3.6 本章小结
• 4 永磁同步电机弱磁电流轨迹控制策略
•   4.1 转矩特性曲线
•   4.2 电流轨迹控制策略
•     4.2.1 MTPA限制下电流轨迹的控制
•     4.2.2 弱磁区电流轨迹的控制
•   4.3 电流轨迹设计
•     4.3.1 基础电流轨迹设计
•     4.3.2 转矩特性曲线限制下电流轨迹控制
•   4.4 仿真与实验
•   4.5 本章小结
• 5 永磁同步电机参数测量与补偿策略
•   5.1 永磁同步电机的离线参数测量
•     5.1.1 定子电阻
•     5.1.2 d、q轴电感
•     5.1.3 永磁体磁链
•     5.1.4 永磁体初始角度校正
•     5.1.5 脉冲延时校正
•   5.2 永磁同步电机弱磁区在线参数补偿策略
•     5.2.1 单参数不准的补偿控制
•     5.2.2 双参数不准的补偿控制
•     5.2.3 三参数不准的补偿控制
•   5.3 仿真与实验
•   5.4 本章小结
• 6 本文控制策略在轨道交通牵引传动平台上的实验验证
•   6.1 轨道交通永磁同步电机牵引传动系统平台
•   6.2 系统仿真与实验工程统一化
•   6.3 大功率电力机车控制中高速分相区的实际问题
•     6.3.1 低制动转矩工况的控制策略
•     6.3.2 带速重投控制的脉冲封锁工况控制策略
•     6.3.3 带速重投控制的重投控制策略
•   6.4 180kW永磁同步电机牵引传动平台的地面试验
•     6.4.1 离线参数测量结果
•     6.4.2 全速度范围下PMSM运行控制
•     6.4.3 电机参数的补偿控制
•     6.4.4 全速度范围内的带速重投控制
•     6.4.5 方波工况下封锁脉冲的影响
•   6.5 1.2MW永磁同步电机牵引传动平台的现场试验
•   6.6 本章小结
• 7 总结
•   7.1 本文取得的成果
•   7.2 需要进一步解决的问题
• 附录A 永磁同步电机实验平台
•   A.1 3kW永磁同步电机平台
•   A.2 180kW永磁同步电机平台
•   A.3 1.2MW永磁同步电机平台
• 参考文献
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张梓绥

导师: 游小杰

关键词: 永磁同步电机,弱磁控制,单电流调节器,电流轨迹,参数补偿,带速重投

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅱ辑

专业: 铁路运输,电力工业

单位: 北京交通大学

分类号: TM341;U239.5

DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.000700

总页数: 167

文件大小: 15753K

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