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永磁同步电机的改进型离散域电流控制策略研究

李福  
【摘要】:永磁同步电机由于功率密度较高,近年来在混合动力和纯电动汽车、电力推进船舶、电气化飞机等行业中的应用日益广泛。但相较于异步电机和电励磁同步电机,永磁同步电机的阻尼较小,抗扰动性能较差,更易受到外界的扰动而发生电磁振荡,在电机高速运行时甚至导致系统不稳定,但目前为止,大多数电流控制器的设计过程只关注电流环的指令跟踪能力,对电流环的抗扰动能力关注较少。为了同时提高电流环的指令跟踪能力和抗扰动能力,设计出更高性能的电流控制器,首先对永磁同步电机进行了建模。在连续域分别使用复矢量方法和状态空间方法建立了表贴式和内置式永磁同步电机的考虑系统延时的电机模型;考虑静止轴系下逆变器的零阶保持作用和数字信号处理器的一阶运算延时,在离散域分别推导了表贴式和内置式永磁同步电机的零阶保持离散化模型;分别使用特征根法和转矩系数法分析了永磁同步电机的阻尼特性。在回顾了两种处理耦合方法的基础上,在电流环中引入了主动电阻,并详细分析了电流环中存在的各种延时及其对电流环的影响,设计了两种分别基于改进PI和纯积分型的电流控制器,降低了含主动电阻的电流控制器对延时的敏感性,尤其是纯积分型的电流控制器,有效抑制了延时引起的电流环振荡。将电流环的主动电阻概念扩展到主动阻抗,设计了基于主动阻抗的电流环控制策略,使用Pade近似方法补偿了系统延时对电流环的影响,并分析了系统的稳定边界,给出了控制参数的稳定取值范围,改善了主动电阻方法中由系统延时和过大的主动电阻引起的电磁振荡。将主动电阻方法从连续域拓展到离散域,针对表贴式永磁同步电机在离散域的分析结果明确地指出,主动电阻的取值有一个确定的上限,而且这个上限只与电机的时间常数和控制器的采样周期有关。然后在离散域根据复矢量设计原理和零极点对消方法设计了一个新的电流控制器,可以达到更高的指令跟踪响应和抗扰动响应,并在给定电感参数误差的情况下对所设计的电流控制器进行了快速性和鲁棒性的折衷。该系统具有一定的理论价值和工程应用价值。从理论的角度指出,主动电阻本质上是电流控制器的第二个自由度,然后从两自由度控制器的角度进行电流控制器的设计,实现了系统零极点在z平面的任意配置,改善了表贴式同步电机电流环的指令跟踪能力和抗扰动能力。针对表贴式同步电机的参数不准问题,利用投影算法设计了一个自适应调节算法,分析了自适应参数算法的零极点,并用离散Lyapunov函数方法证明了自适应参数算法的稳定性和参数取值范围,有效改善了电流环在初始电机参数不准时的电流响应。针对考虑一阶运算延时的内置式永磁同步电机的零阶保持离散模型,使用状态空间方法设计了一个离散状态反馈电流控制器,实现了极点在z平面的任意配置,讨论了控制参数的计算过程,与经典的离散电流控制器比较,所设计的状态反馈控制器明显提高了电流环的指令跟踪能力和抗扰动能力,具有一定的理论和实用价值。


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