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交流电机高速化驱动关键控制技术研究

赵云  
【摘要】:交流电机高速化驱动系统广泛应用于数控机床、电动汽车、高速动车组牵引等领域,在重要自动化装备中发挥着重大作用。本文在深入分析国内外相关研究文献的基础上,以交流电机高速化驱动控制为主要研究内容,以开发高性能高速主轴驱动系统为主要目的,针对其中的若干关键问题进行了深入的分析和研究。感应电机和永磁同步电机,是数控机床主轴驱动系统中广泛采用的两类执行电机。按转子磁场定向的矢量控制方案,可实现交流电机转矩与磁链的解耦控制,是实现高性能调速的理想控制方案。本文首先详细分析了感应电机间接转子磁场定向控制方案和永磁同步电机转子磁场定向控制方案,建立了交流电机统一控制结构,并分析指出实现高速化驱动控制需要解决的关键问题,即:保证电机能够最大化输出转矩的电流优化分配策略、电压优化控制和磁场定向优化方案。电流如何优化分配是高速化驱动系统的核心问题,在高速弱磁区为了尽可能地发挥出电机自身的最大转矩输出能力(即转矩最大化输出),其关键在于满足电机运行约束条件下,如何协调分配磁场电流分量与转矩电流分量。本文分别研究了感应电机和永磁同步电机的电流分配问题,深入分析了电机运行的约束条件,推导出全频率范围实现转矩最大化输出的理论最优电流矢量控制轨迹,以此为依据设计了考虑负载补偿和电压协调控制的全频率范围闭环电流优化分配策略,以充分发挥出电机的最大转矩输出能力。电机运行于弱磁区时,旋转反电动势接近于逆变器最大输出电压,能供给电流调节的动态电压裕量十分有限,采用PWM过调制方法提高直流母线电压利用率,对于提高电机的带载能力、加快动态响应速度,特别是弱磁运行具有重要意义。本文深入分析了过调制策略中电压矢量轨迹的修正方式对磁场定向闭环系统的影响,提出了一种适合磁场定向控制系统的全范围电压输出SVPWM策略,拓宽了电压输出范围,有助于系统在弱磁运行区实现最大转矩输出。采用矢量旋转变换实现了转矩与磁链的解耦,同时使得d、q轴电流控制之间产生了交叉耦合,这对系统在高频区的电流控制产生较大影响。本文深入研究了采用同步PI调节器的电流控制方案中耦合项电压对电流调节特性的影响,指出在高频区这种形式的电流调节器动态调节能力会严重恶化,据此设计并实现了一种具有Anti-windup的复矢量PI调节器替代传统的同步PI电流调节器,以消除耦合电压对电流调节的负面影响,使系统在高频区的电流控制性能得到较大提高。感应电机间接转子磁场定向控制方案中采用电流模型观测磁场相位角度,当电机在较宽的频率范围运行时,转子时间常数发生变化以及铁耗的影响都会使转子磁场相位观测值偏离实际值。本文对磁场相位角度的校正补偿问题展开了研究,提出了一种基于无功功率偏差的转子时间常数在线搜索寻优方案,以实时跟踪电机参数的变化,校正磁场相位。最后,构建了交流电机高速化驱动系统的统一软硬件控制平台,在此平台上进行了控制策略的实验论证,结果表明本文所提出的控制算法在一定范围内有效地解决了交流电机高速化驱动系统的部分关键问题,显著提高了主轴驱动系统的控制性能。


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