城轨列车永磁同步电机控制系统优化

发布时间：2020-04-08 10:20

【摘要】：内置式永磁同步电机具有体积小、效率高、维护量少等优势,越来越多的被用作城市轨道交通中的牵引电机。城市轨道交通站与站之间距离短、行车密度大,城轨车辆在启动、加速、匀速行驶和制动等工况下进行频繁切换,在这个过程中,城轨列车的牵引电机存在转速超调、稳定到参考转速的时间长以及传统滑模观测器存在抖振和转子位置信息估算有偏差等问题,长期如此不仅会影响电机的使用寿命、造成资源浪费,还降低了效率。为了降低转速的超调量、节约能源、提高效率,针对上述问题,对城轨列车内置式永磁同步电机控制系统的优化展开研究。首先,建立城轨列车内置式永磁同步电机数学模型,并对内置式永磁同步电机在运行过程中电压、电流和电磁转矩的关系进行分析,在低速段采用最大转矩电流比的控制策略、中高速段采用弱磁控制策略提升转速的调节范围。然后,针对城轨列车内置式永磁同步电机基于转子磁场定向的矢量控制算法中转速超调和稳定到参考转速时间长等问题,采用随机搜索算法对比例积分控制器的参数进行优化,结果证明转速超调量变小、提高了响应速度、大大缩短了稳定到参考转速的时间;针对内置式永磁同步电机调速范围小的问题,采用对励磁电流进行补偿的方法实现弱磁控制,提高了转速调节的范围。其次,针对传统滑模观测器存在抖振以及转子位置信息估算有偏差等不足,在两相旋转坐标系建立内置式永磁同步电机的滑模观测器模型,选取饱和函数作为开关函数,采用锁相环技术估算转子位置信息和转速,并通过MATLAB/Simulink验证了城轨列车内置式永磁同步电机无位置传感器控制的有效性。最后,以内置式永磁同步电机作为试验电机,使用TI公司生产的DSP TMS320F28035芯片作为主控芯片,以C语言作为控制软件编程语言,通过对实验波形的分析,验证了优化算法的合理性。
【图文】：

置式 PMSM 的控制系统设计及改进提供了理论依据。.1 永磁同步电机基本结构和直流电机、异步电机一样，PMSM 也是主要由定子和转子等部分组成MSM 定子部分由定子铁芯和定子绕组构成，，因不需要励磁绕组和直流励磁，故取消了容易损坏的集电环和电刷装置，成为无刷电机。转子部分是 PM别于其它电机的最大差别，永磁体磁极取代了传统的励磁绕组在电动机气产生磁感应强度。在定子绕组中通入三相电流后会形成旋转磁场，由于在上安装了磁极固定的永磁体，依据磁极的同性相斥异性相吸的原理，在定产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终转子的旋转速度与定子中旋转的转速持平[66]。根据永磁体在转子中的位置进行区分，三相 PMSM 转子结构一般有三类面式、插入式和内置式[67]，三种转子结构的示意图分别如图 2-1(a)、图 2-图 2-1(c)所示。

虽然制作成本高、漏磁系数大，但弱磁升速，非常适合应用于城轨列城轨列车用内置式 PMSM 作为对象步电机数学模型M 的数学模型变量多，耦合性强，需数学模型，主要包括静止坐标系下的。其中，三相静止坐标系(A-B-C)到，反之称为 Clark 反变换；两相静止为 Park 变换，反之称为 Park 反变。
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U264.1;TM341

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本文编号：2619227