永磁同步电机矢量控制系统弱磁控制策略研究

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中南大学

硕士学位论文

永磁同步电机矢量控制系统弱磁控制策略研究

姓名：丁强

申请学位级别：硕士

专业：控制科学与工程

指导教师：唐朝晖

20100518

摘要

由于城镇化发展，城市交通日益拥挤，汽车交通造成大量环境污染。地铁、城市轻轨以及电动汽车近年来发展迅速，车辆电驱动技术也因而越来越引起人们关注。其中永磁同步电动机以其体积小、重量轻、效率高、功率密度大、低速输出转矩大、维护简单等优点，逐渐成为城轨交通电机驱动系统的主流。由于永磁同步电机的激磁磁场不可调节，对其在有恒功率、宽调速范围运行要求的车辆电驱动技术的应用提出了挑战，引起了研究者的高度重视。

论文研究永磁同步电机的弱磁控制策略，提出了一种修正电流设定值的控制方法。该方法由两部分组成：弱磁区域的确定和设定电流修正值的计算。电机运行所在的弱磁区域由恒转矩曲线方向和电流调节器输出电压递减方向之间的夹角来确定，输出电压的递减方向信息通过梯度下降法计算得到；设定电流修正值的大小根据该弱磁区域内转矩、电压变化量的方向信息和电流调节器输出电压与电压设定值的差值来确定。该方法具有控制精度高、响应速度快、鲁棒性好等优点。

论文对基于梯度下降法的弱磁控制策略进行了理论分析，并在基于ＳＴＭ３２的实验平台上进行了实验验证，得到了与理论分析一致的实验结果，证明了本文所提出的控制策略的正确性和可行性，很好地实现了通过弱磁扩展调速范围。关键词：永磁同步电机；弱磁控制；电流设定值；梯度下降法

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎ，ｃｉｔｙｔｒａ衔Ｃｂｅｃｏｍｅｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎｅｄ，ａｌｏｔｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓｃａｕｓｅｄｂｙａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｔｒａ伍Ｃ．Ｓｕｂｗａｙｓ，ｃｉｔｙ－ｔｒａｉｎｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｈａｖｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｒａｐｉｄｌｙｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｓｈａｓｂｅｅｎｇｅｔｔｉｎｇｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎ．ＰＭＳＭｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇａｍａｉｎｓｔｒｅａｍｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｉｒｍｅｒｉｔｓｓｕｃｈａｓｌｏｗｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙ，ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｓｉｍｐｌｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ．Ｆｏｒｔｈｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｃａｌｌ’ｔｂｅｒｅｇｕｌａｔｅｄａｆｔｅｒｔｈｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｍａｔｅｒｉａｌｗａｓｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ，ｉｔｉｓａｃｈａｌｌｅｎｇｅｆｏｒｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｔｙｐｅｏｆｍｏｔｏｒｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｗｈｉｃｈｒｅｑｕｉｒｅｓｃｏｎｓｔａｎｔｐｏｗｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｗｉｄｅｓｐｅｅｄｒｅｇｉｏｎ．Ｔ１１ｉｓｃａｔｃｈｅｓｍａｎｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ’ｅｙｅｓ．

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ｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ．

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ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｔｈｅｆｌｕｘｗｅａｋｅｎｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆＰＭＳＭｉｓｂｕｉｌｔ

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ｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙａｎｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ，ｉｔｈａｓａｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｐｅｅｄｅｘｐａｎｓｉｏｎｗｉｔｈｆｌｕｘｗｅｎｋｅｎｉｎｇ．

ＷＯＲＤＳ：ＰＭＳＭ；ｆｌｕｘｗｅａｋｅｎｉｎｇ；ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｅｔｔｉｎｇ；ｔｈｅｇｒａｄｉｅｎｔｍｅｔｈｏｄＩＩｖｏｌｔａｇｅｏｆｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎ、ｆａｓｔｂａｓｅｄｐｌａｔｆｏｒｍ，ｔｈｅａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｓｇｏｏｄＫＥＹｄｅｓｃｅｎｔ．

原创性声明

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作者签名：ｌ选日期：兰！！！年』月监日

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中南大学硕士学位论文第一章绪论

第一章绪论

１．１论文研究背景及意义

本课题来源于中国北车集团大连电力牵引研发中心与中南大学合作项目。该课题面向现代交流调速控制领域，进行理论研究和工程实践，主要针对永磁同步电动机（ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒＰＭＳＭ）交流传动控制系统的矢量控制系统及其弱磁控制进行研究，研究弱磁控制性能改进及控制策略，使现代交流传动控制系统能更好地服务于交通运输、工业控制和民用设施等应用场合【ｌ】。

由于稀土永磁材料和电子功率器件的发展，近年来，永磁同步电动机获得了广泛研究和应用【２】。弱磁控制成为永磁同步电机的一个研究热点。一方面是材料技术的发展，高剩磁密度噩和高矫顽力见的永磁材料应用于电机，电机在相当大的程度上已经不怕电枢反应的去磁作用，允许在直轴上流过较大的去磁电流。另一方面为了使电机运行于高速区，拓宽电机系统的调速范围ｆ３】。在电压型逆变器驱动的电机系统中，电机端电压不可能提高的情况下，减弱电机磁场使电机转速升高的方法一弱磁控制，可以使电机运行在额定转速以上。在很多牵引和纺织驱动应用场合中，需要恒功率控制和宽调速范围运行，因此，电机的弱磁控制日益倍受关注【４。。

随着变频技术的日趋完善，永磁同步电动机和变频控制实现机电一体化，使永磁同步电动机驱动系统的优势已越来越明显。特别是稀土永磁同步电动机，采用高性能稀土永磁材料为同步电机产生励磁磁场，使电机的运行效率和功率因数大幅度提高【５】。并且该驱动系统调速精度高，调速比大，输出特性硬，运转平稳。此外，系统还具有恒转矩输出和转速不随负载波动的特性。通过变频器有效控制，可使其输出转速保持恒定，在某些机械传动中去掉减速器，这无疑给整个机械制造带来一场新的革命。但是，由于永磁同步电动机采用永磁体励磁，磁场恒定，永磁体励磁强度也就不可调节，在基速以上的恒功率运行区域，随着转速升高，由于供电电压的限制及电流控制器的饱和影响，，破坏了永磁同步电动机的电磁转矩性能，因而无法运行到较高的转速，限制了其应用范围。必须进行弱磁控制。因此，充分发挥永磁同步电动机驱动系统高效率的特长，在现有基础上进一步拓宽其调速范围，提高基速以上区域系统的运行效率是变频驱动系统的一个重要研究方向【６】。

电动汽车对于驱动系统的基本要求是：低速时能输出恒定转矩，以适应快速起动、加速、负荷爬坡等要求，高速时能输出恒定功率，能有较宽的调速范围，适应高速行驶，超车等要求。较强的弱磁性能能够在逆变器容量不变的情况下提高

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