复杂工况下感应电机多约束高速运行技术研究

发布时间：2020-04-25 13:16

【摘要】：高精密工业场合对数控机床的生产工艺和效率提出了严苛的要求,其技术核心是数控机床主轴驱动的“高速及超高速化”。感应电机具有结构成熟、调速范围宽、可靠性高、过载能力强等优点,已广泛应用于数控机床驱动系统中。但高档数控机床的多复杂工况应用要求、高速控制系统内部多约束条件以及感应电机本身的多变量、非线性、强耦合特性,导致高速控制技术依然存在诸多技术难点。本文在探讨感应电机高速运行多重约束(最大电压、最大电流、最大转差)的基础上,着眼于系统动态响应提升、极限转矩拓展以及超高速稳定运行三项关键技术,实现复杂苛刻工况(高速四象限运行,带载高速阶跃启停,极限带载等)下大转矩高动态宽调速范围的稳定运行。首先,探讨多约束下感应电机高速运行的电流调节与分配问题。作为保证系统高速运行能力的两大基本要素,电流调节要求设计的调节器结构需要综合考虑解耦、反电动势补偿、抗积分饱和、离散化精度、延时补偿等多方面因素;电流分配需要基于实现最大转矩的电压电流矢量轨迹进行电压闭环的弱磁控制策略设计,本文分析、整合并总结上述要点,完成了满足要求的优化PI型电流调节器设计和弱磁控制器设计与仿真验证。其次,针对Windup现象引发的高速弱磁系统动态问题,将系统抽象为“多重Windup嵌套”模型,深入分析了系统内部弱磁控制器电压给定、电流调节器Anti-windup限幅以及SVPWM约束电压三者边界的非一致问题,提出一致性设计准则。接着,对系统阶跃加速至弱磁区过程中,Windup导致的过渡段电流波动及无法有效跟随问题,首次给出过程分析,总结本质原因,提出一种自锁限幅结构,通过电压矢量的直接控制对电压裕量的重新分配,实验结果表明,算法有效缓解了上述的动态问题。再次,通过电压拓展区运行的方式实现极限转矩的拓展,同时兼顾转矩质量。由于尚未有文献对电压提升与转矩拓展间的关系进行明确分析,提出一种电压拓展区最大转矩通用定量分析法,明晰电压拓展、转矩提升、转矩波动三者关系。进一步对两类特定工况下的转矩及其动态表现进行分析:高速阶跃刹车下的直流母线电压过压和高速下的负载突变。基于上述分析,提出一种运行点选择弱磁控制器结构。控制器可在实现极限转矩拓展的同时权衡转矩波动的抑制,同时具有良好鲁棒性和直流母线过压抗扰性。实验验证并对比了其相较于已有控制器的优越性。最后,为了拓宽弱磁系统的转速范围至超高速区,对感应电机的深度弱磁区控制算法进行研究。对比了已有电压电流控制方法的差异,并证明其等价性。推导计及定子电阻的深度弱磁区理论最大转矩点以进一步挖掘其有限的转矩输出能力。首次将电流调节器解耦通道与弱磁控制结合考虑,提出一种单电流解耦通路闭环调节器结构。在实现闭环控制的同时,省却了额外了PI控制器和参数调试过程。仿真和实验完成了相关验证工作。进一步地,将算法移植至24000rpm的高速主轴伺服感应电机平台,并与目前国际领先的TDE公司的OPDE-V032A系列变频器高速驱动算法对比测试,验证了算法的通用性以及良好的高速阶跃加减速性能。
【图文】：

美国威斯康星,弱磁,高速控制,研究中心

图 1-1 高速控制技术发展概况国际方面，1992 年，美国威斯康星大学 WEMPEC 研究中心 Donald W.Novotny 教授提出了经典的励磁转速反比即“1/ωr”弱磁方法[20]，，并得到工业界广泛应用。1995 年, 密苏里大学的 Scott D. Sudhoff 提出了电流误差法[21]，首次将闭环思想引入弱磁控制中。1997 年，韩国首尔大学的 SPEC 研究中心Seung-Ki Sul 教授提出了著名的通过电压闭环矫正励磁电流给定的弱磁控制方式[22](Voltage Controller Flux-weakening Scheme, VCFS)以实现最大转矩输出。这种方式逐渐取代“1/ωr”而为工业界采用。1998 年~2001 年，美国威斯康星大学WEMPEC 研究中心 Robert D. Lorenz 教授团队提出并发展了用于高转速下电流解耦的复矢量电流调节器，并进一步对其在弱磁下的应用进行了研究[23-25]。同年，ABB 联合研究中心的 Lars Gertmar 教授对最大转矩弱磁控制的设计和参数选择方面进行较为系统的解答[26]。2002 年，德国 Joachim Holtz 教授团队探讨了高速运行下过调制区的谐波补偿问题[27]。2005 年以后，Seung-Ki Sul 教授团队针对不同电机进行了一系列弱磁控制研究，使其运行于过调制区域[28,29]，并关注了电压裕量对动态性能的影响[30]。 2007 年，通用公司 GabrielGallegos-López 团队提出查表法实现弱磁控制，并引入零矢量作为弱磁区标志，

研究重点,概况,课题,内容

图 1-2 本文研究重点概况本课题主要研究内容如下：(1) 多约束下感应电机高速运行的电流调节与分配方法研究。为了将电机调速范围拓宽至基速以上，需要对从 dq 电流反馈调节与给定分配两个方面进行优化。一方面，针对高速下的系统特性，考虑电机电压分量变化与载波比降低带来的数字控制问题，多角度对比、分析并设计优化 PI 型电流调节器以满足高速下的电流调节要求；另一方面，考虑电机高速运行的多约束条件(最大电流、最大电压和最大转差)，基于理想最大转矩控制思想，得到电流电压矢量运行轨迹，分析利用电压闭环思想的弱磁控制策略对电流分配的基本原理，并通过仿真对比验证弱磁算法的有效性。(2) 多重 Windup 弱磁系统分析及其动态性能提升方法。分析弱磁系统内部弱磁控制器给定电压、电流调节器 Anti-windup 限幅以及逆变器极限电压三者边界的非一致导致的动态问题并总结一致性设计准则。针对由基速区阶跃加速至弱磁区的过渡段内存在的 Windup 问题，详尽分析其产生机理，得到指导性结论。提出自锁限幅结构(Self-Locking Limit Block, SL-LB)，在过渡段内自动切换至电压矢量直接控制模式，并在保证最大电压利用率的前提下重新分配电
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM346

【参考文献】