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高速永磁同步电动机控制技术研究

崔红  
【摘要】:高速永磁电动机以其体积小﹑效率高﹑功率密度大﹑转动惯量较小﹑动态响应较快等优点,在超高精密加工和高性能机械中应用越来越广。高速永磁电动机的转速可高达每分钟几万转甚至几十万转,绕组电流频率较高,由于高频高速的特点及其驱动高速电机变频器存在的谐波,由此带来的高速电机供电系统谐波大的问题也越来越严重。为了提高高速永磁电动机控制系统的性能,需要对如何减小高速电机供电系统的谐波,实现高速电机的闭环控制等问题进行深入研究。本文针对高速永磁同步电动机的专用变频器与滤波器的设计,系统闭环控制策略以及转子位置和速度信号的检测方法等问题进行了研究,主要研究内容如下: (1)通过分析电流谐波对高速永磁电动机性能的影响,研究了具有特定谐波消除和可调开关模式功能逆变器的设计方法。当高速电机运行在不同的速度频段时,采用不同开关模式的逆变器,当高速电机运行在中低速域时,逆变器采用18脉冲开关模式,基于特定谐波消除技术选取开关角,使5次﹑7次等特定次数的谐波最小。建立了特定谐波消除单﹑双极性脉冲控制方式的数学模型,给出了消除5次﹑7次谐波的不同调制比与开关角的关系。高速电机高速运行时,逆变器采用6脉冲开关模式, 5次﹑7次等谐波通过特定谐波滤波器消除。对所采用的方法进行了仿真和实验研究。 (2)研究了使用通用PWM变频器时,采用在变频器输出端加二阶RLC滤波器或三阶LCL等滤波器来抑制高速电机供电系统谐波的方法。对于高速电机运行在高速域采用6脉冲开关模式逆变器时,提出了在变频器的输出端采用可调电感的自适应滤波器的设计方法。对于不同结构滤波方法进行了仿真对比分析与实验研究,验证了所提出的滤波方法的可行性。 (3)提出了适合于高速永磁同步电动机的多边形磁链直接转矩控制策略,即在电机运行的中低速域,采用无传感器十八边形磁链直接转矩控制,而在高速域采用无传感器六边形磁链直接转矩控制策略。研究了实现两种控制模式间切换的方法,并对所提出的控制策略进行了仿真和实验研究。 (4)针对用普通转子位置传感器不适用高速电机转子位置检测,研究了一种光电式位置传感器,设计了其信号处理电路。并对所采用的方法进行了实验验证。 (5)搭建了以DSP TMS320F2812为控制核心的高速永磁同步电动机控制系统实验平台,进行了10kW 12000r/min高速永磁电动机的多边形磁链直接转矩控制的实验研究,验证了所提出控制方法的可行性。


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