电力牵引永磁同步电机矢量控制与调制算法研究

发布时间：2017-06-27 22:08

  本文关键词：电力牵引永磁同步电机矢量控制与调制算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)具有效率高、可靠性高、功率密度大、启动转矩大、调速范围广等优点,将其用于电力机车牵引传动系统有助于提高系统效率,降低故障率并实现列车轻量化,符合国家节能减排的长远目标,对其开展研究具有重要的理论价值与现实意义。本文以电力牵引传动系统中的PMSM为研究对象,重点从增大启动转矩、扩展调速范围、提高电机效率、降低转矩脉动、减小定子电流谐波等方面对PMSM控制与调制算法进行了深入研究。具体内容如下：首先,介绍了PMSM及其控制与调制算法研究现状,并在两相旋转坐标系下建立其数学模型；以PMSM数学模型为依托,对其矢量控制基本原理进行研究；针对高速电力机车启动转矩大、调速范围广的特点,对PMSM最大转矩电流比控制、负直轴电流补偿弱磁控制以及最大转矩电压比弱磁控制三种矢量控制算法进行了详细分析与研究,并给出了受限于电压与电流极限圆的最佳定子电流控制轨迹；针对PMSM特有的启动困难问题,给出了一种利用无速度传感器技术与传统相对位置传感器技术相结合的速度检测方案,实现了低成本高精度的PMSM转子绝对位置检测。然后,建立了三相两电平逆变器数学模型,对逆变器异步空间矢量调制(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)进行了研究,并结合其电压矢量合成与作用原理,研究了同步SVPWM合成算法；对影响PMSM转矩脉动的因素进行研究,给出了以电机定子磁链面积等效为原则的同步SVPWM设计方案；为降低PMSM转矩脉动,以电机定子磁链形状趋近于圆和减小磁链δ角脉动为原则,对同步SVPWM参数进行了优化；结合电力牵引传动系统中逆变器开关频率较低等特点,给出了多模式的调制算法,进而研究了不同调制算法间切换对转矩脉动的影响。最后,对TMS320F28335 DSP进行编程,于RT-LAB中搭建PMSM牵引传动系统模型,并在以其两者为核心的硬件在回路半实物平台上进行实验。实现了低开关频率下PMSM矢量控制与调制算法,其启动转矩大、调速范围广,且在整个调速范围内均保持较低转矩脉动与较小定子电流谐波。半实物实验结果验证了本文所给出的PMSM矢量控制与调制算法的正确性与有效性。
【关键词】：PMSM 矢量控制 弱磁 低开关频率 多模式调制 转子初始位置检测
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM341
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 交流传动系统中PMSM发展现状11-16
• 1.2.1 PMSM的挑战与选择11-12
• 1.2.2 PMSM控制策略12-14
• 1.2.3 PMSM转子绝对位置检测14-15
• 1.2.4 逆变器调制策略15-16
• 1.3 论文主要研究内容16-17
• 第2章 PMSM矢量控制系统17-35
• 2.1 PMSM数学模型17-22
• 2.1.1 ABC坐标系下数学模型17-18
• 2.1.2 dq坐标系下数学模型18-22
• 2.2 PMSM磁场定向矢量控制22-25
• 2.2.1 矢量控制策略22-23
• 2.2.2 前馈电压解耦补偿23-24
• 2.2.3 矢量控制系统设计24-25
• 2.3 PMSM弱磁控制25-31
• 2.3.1 电流极限圆与电压极限圆25-26
• 2.3.2 弱磁控制原理26-27
• 2.3.3 最大转矩电流比控制27-28
• 2.3.4 负直轴电流补偿弱磁控制28-30
• 2.3.5 最大转矩电压比控制30-31
• 2.4 PMSM转子位置检测31-34
• 2.4.1 转子位置检测方法31-32
• 2.4.2 转子初始位置检测系统设计32-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 电力牵引逆变器全速域调制算法35-50
• 3.1 三相两电平逆变器异步SVPWM35-37
• 3.1.1 两电平逆变器结构与工作原理35-36
• 3.1.2 异步SVPWM算法36-37
• 3.2 两电平逆变器同步SVPWM及优化37-48
• 3.2.1 分段同步SVPWM37-38
• 3.2.2 同步SVPWM基本矢量作用角度38-40
• 3.2.3 基于磁链面积等效的同步SVPWM设计40-46
• 3.2.4 基于减小转矩脉动的同步SVPWM优化46-48
• 3.3 多模式SVPWM切换策略48-49
• 3.3.1 异步SVPWM之间切换48
• 3.3.2 同步SVPWM之间切换48-49
• 3.3.3 异步与同步SVPWM之间切换49
• 3.4 本章小结49-50
• 第4章 控制与调制算法仿真验证50-60
• 4.1 转子初始位置检测50-52
• 4.2 矢量控制及弱磁52-55
• 4.3 牵引逆变器多模式调制55-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第5章 控制与调制算法半实物实验验证60-67
• 5.1 半实物实时仿真技术60
• 5.2 半实物实验平台设计60-62
• 5.3 DSP程序设计62-63
• 5.4 实验结果与分析63-65
• 5.5 本章小结65-67
• 总结与展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-72
• 攻读学位期间发表的论文72
• 攻读学位期间参与的科研项目72

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