電勵磁同步電動機直接轉矩控制理論研究及實踐.pdf

1、電勵磁同步電機(ESM)具有功率因數可調、效率高等優(yōu)點，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用，所以研究和開發(fā)高性能的ESM驅動系統(tǒng)具有重大的經濟價值和社會效應。目前開發(fā)高性能ESM驅動系統(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)；另一種是直接轉矩控制(DTC)。FOC ESM系統(tǒng)動態(tài)性能明顯較標量控制系統(tǒng)性能提高了很多，但ESM轉子凸極結構和較大的轉子回路時間常數使得ESM FOC系統(tǒng)無法實現真正意義

2、上的解耦控制。DTC思想把電機和逆變器作為一個整體，在定子靜止坐標系中利用逆變器輸出電壓矢量直接控制定子磁鏈和轉矩，獲得了快速的轉矩響應。若在ESM上采用DTC恰恰可以彌補FOC的缺陷，達到轉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合作研究了ESM DTC的部分內容。出于商業(yè)保密考慮，他們沒有詳細給出實現的細節(jié)，甚至沒有給出最優(yōu)開關表的具體構成。從他們所公開的不完整資料中無法獲知ESM DTC的完整

3、理論構架。在國內，1997年至2001年南京航空航天大學針對無阻尼繞組ESM DTC也開展了初步的理論研究，但沒有進行詳細的實踐研究。因此，無論在國內還是在國外，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)的理論體系構架。本文的主要任務和目的就是比較全面和深入地完成這一理論構架，為以后更深入地、廣泛地研究ESM DTC技術，打好一個堅實的理論基礎。本論文主要內容如下： 對交流電機低轉矩磁鏈脈動

4、型DTC策略進行了綜述，指出低轉矩磁鏈脈動型DTC控制策略有：運用空間矢量調制(SVM)技術輸出多個電壓矢量、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、引入現代控制理論等。對交流同步電機無位置速度傳感器運行及轉子初始位置估計技術進行了綜述，結果指出目前無位置速度傳感器技術主要有兩大類：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、電勵磁同步電機轉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氣隙磁鏈性質，結果指出氣隙磁鏈為一個時間常數較大的慣性環(huán)節(jié)，ESM DTC正是基于此，利用定子側的電壓矢量迅速控制定子磁鏈矢量的模、旋轉方向及旋轉角度，迅速改變定子磁鏈矢量和氣隙磁鏈矢量之間的夾角(定義為轉矩角)，實現對電磁轉矩的迅速控制。仿真和實驗證明了上述分析的正確性。 從轉矩角控制轉矩入手，詳細推導并分析了有阻尼繞組ESM電磁轉矩。運用仿

6、真手段研究了DTC控制ESM中直/交軸阻尼繞組對電機動態(tài)行為的影響，研究結果表明：交軸阻尼繞組有利于電機動態(tài)性能的改善；直軸方向上定子繞組、阻尼繞組及轉子勵磁繞組相互耦合，會形成振蕩，導致直軸阻尼繞組對電機動態(tài)性能的改善不明顯，甚至有危害；對于電動運行的ESM不宜采用直軸阻尼繞組；主轉矩角與主轉矩在主轉矩角零點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)全速度范圍內綜合指標出發(fā)，針對DT

7、C控制ESM提出一種全速度范圍內轉子勵磁電流控制策略。指出在恒轉矩區(qū)宜采用轉子電流內控法，實現電機內功率因數等于1；在弱磁恒功率區(qū)宜采用轉子電流外控法，實現電機外功率因數等于1；轉子電流內控法和外控法在額定轉速點處直接轉換，不需要插入過渡區(qū)。仿真和實驗結果表明無論恒轉矩區(qū)或弱磁恒功率區(qū)，電機功率因數均較高；由恒轉矩區(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償的SVM-DTC結構。運用仿真和實驗手段對基

8、本DTC和SVM-DTC兩種ESM驅動系統(tǒng)進行了詳細對比研究，結果表明：SVM-DTC具有基本DTC系統(tǒng)簡潔結構的同時大幅度減小了轉矩、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)轉矩角控制轉矩特點，提出并設計了一種變比例系數轉矩PI調節(jié)器，旨在實現SVM-DTC系統(tǒng)轉矩的快速而準確控制。仿真及實驗結果表明系統(tǒng)起動轉矩快速而準確地跟蹤上給定值，系

9、統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行平穩(wěn)。這種變比例系數的調節(jié)方法對永磁電機也特別適用。 一般ESM DTC系統(tǒng)中沒有直接檢測定子端電壓傳感器，但有定子繞組和轉子勵磁繞組電流傳感器。本文基于轉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出電流的原理，提出基于定子感應電流和轉子勵磁電流檢測的兩種初始轉子位置估計方法－閉環(huán)法和開環(huán)法。實驗結果表明轉子初始位置機械角度估計誤差在±2度范圍內；SVM-DTC系統(tǒng)能夠以給定的最大轉矩順利起動。 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?；诨綝TC結構提出一種約束矢量作用時間的改進型基本DTC，基于補償定子磁鏈誤差矢量的SVM-DTC結構提出一種電流主動控制的SVM-DTC。仿真和實驗結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，結果表明，由于多電平逆變器輸出電壓矢量幅值能隨電機轉速