【摘 要】
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随着稀土永磁材料开发力度的增加与电机制造工艺的提高,永磁同步电机凭借其物理结构简单、使用可靠性好,高功率密度和高动态性能的优点,逐步在轨道交通、航空航天、电力船舶、新能源汽车等领域得到应用。以高速列车和城轨列车为典型代表的大功率交流传动场合中,牵引变流器受限于安装空间和散热条件,一般要求功率器件降低工作开关频率以满足温度和开关损耗要求。传统的矢量控制和直接转矩控制算法在低开关频率下都难以保持较高的
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随着稀土永磁材料开发力度的增加与电机制造工艺的提高,永磁同步电机凭借其物理结构简单、使用可靠性好,高功率密度和高动态性能的优点,逐步在轨道交通、航空航天、电力船舶、新能源汽车等领域得到应用。以高速列车和城轨列车为典型代表的大功率交流传动场合中,牵引变流器受限于安装空间和散热条件,一般要求功率器件降低工作开关频率以满足温度和开关损耗要求。传统的矢量控制和直接转矩控制算法在低开关频率下都难以保持较高的控制性能,因此本文以三相永磁同步电机牵引系统为研究对象,针对速度外环动态响应慢、低开关频率下控制性能恶化等问题,开展适用于电机牵引系统的模型预测控制算法的改进研究工作。首先,按照永磁同步电机转子的不同物理构型,介绍了两大类型永磁同步电机的特点及适用范围,给出了三种坐标系下的电机数学模型;分析了三相永磁同步电机的多种重要控制策略;阐述了三相两电平牵引逆变器的工作原理及其空间电压矢量分布的特点,为后续模型预测控制算法的推导奠定了基础。其次,介绍了永磁同步电机模型预测转矩及电流控制算法的基本原理;为了改善传统模型预测转矩控制算法中PI速度外环动态响应慢、抗扰动能力弱的问题,给出了在离散域负载转矩扰动观测器的参数设计方法。通过构造评价函数以结合状态观测器输出,可实现对估计负载转矩补偿,并给出了该改进模型预测转矩控制算法的实现流程。实验结果表明,所研究的模型预测转矩控制算法能够保留传统算法稳态性能,并可改善系统的动态性能和提高系统的抗干扰能力。然后,为了解决大功率交流传动场合,牵引逆变器在低开关频率下控制性能恶化的问题,研究了基于优化脉冲序列的改进模型预测电流控制算法;设计了适用于三相永磁同步电机的优化脉冲序列的求解算法;阐述了在改进评价函数中利用动态权重系数融合优化脉冲序列的设计思路,及改进模型预测电流控制算法的实现流程。实验结果表明,改进控制算法利用评价函数中的动态权重系数可以实现传统模型预测电流控制算法和优化脉冲序列的结合,能在宽速度范围内保证动态性能的同时有效地降低驱动系统的平均开关频率。最后,搭建了3k W三相永磁同步电机小功率实验平台,基于德州仪器DSP主控芯片和CCS软件编写程序,对传统算法和所提改进算法进行了实验对比研究,通过实验验证了改进算法的正确性和有效性。
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