車輛用永磁同步電機(jī)外文翻譯

1、全數(shù)字電流控制的永久磁鐵同步電動機(jī)的車輛應(yīng)用程序阿德爾 · 納西里、 高級會員 IEEE摘要：鑒于永磁同步電機(jī)的高效率，結(jié)構(gòu)緊湊，和所產(chǎn)生的較少噪音，使得它們具有可以接收更多關(guān)注于陸地，海上的牽引應(yīng)用，和鐵路車輛的能力。在本文中，一個新的數(shù)字無差拍控制器的設(shè)計，將實現(xiàn)和應(yīng)用到永磁體同步機(jī)中?？刂破鞯哪繕?biāo)是實現(xiàn)對機(jī)器的速度的無差拍的動態(tài)響應(yīng)。通過對控制器的分析表明，它調(diào)節(jié)電流并用2和4個采樣周期電壓的機(jī)器。魯棒傳感器簡單的方式來估計轉(zhuǎn)子的位置和速度。以及一個實驗結(jié)果其中顯示的可行性雛型電的呈現(xiàn)，并提出了如何控制這臺機(jī)器。關(guān)鍵詞：電流控制，數(shù)字控制，電機(jī)驅(qū)動器， 永磁同步電機(jī)（PMSM）

2、，傳感器， 牽引。引言牽引電機(jī)必須具有提供高效率，體積小，耐用性好，重量輕的特性。且也應(yīng)該需要最少的維護(hù)。目前，感應(yīng)及直流電機(jī)用作牽引馬達(dá)的鐵路車輛中一般是減小電機(jī)的尺寸。通常，齒輪箱的使用會增加傳輸損耗，發(fā)出噪音，并且需要頻繁的維護(hù)。用常規(guī)牽引電機(jī)變速箱的優(yōu)點(diǎn)是：1）減少機(jī)械沖擊在電機(jī)軸上; 2）重量更輕，更快的旋轉(zhuǎn)，較小的力矩需求3）較小的簧下質(zhì)量。使得永久永磁同步電機(jī)（PMSM）更緊湊，重量輕，它們可以用在直接驅(qū)動系統(tǒng)，而不具備其他設(shè)備中所提到的缺點(diǎn)。采用永磁同步電機(jī)的另一個優(yōu)點(diǎn)是使用了全封閉的牽引電機(jī)。通常情況下，牽引電機(jī)采用了大量的通風(fēng)散熱風(fēng)扇來降低電機(jī)溫度。這些風(fēng)扇通常迫使灰塵和污

3、物進(jìn)入，需要預(yù)定啟用和牽引電機(jī)，清潔電機(jī)。一個永磁同步電動機(jī)工作時，需要較高的效率和少產(chǎn)生的熱量，故而完全封閉的牽引電動機(jī)可利用很高。然而，還需要一個獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)的軸承。其中的最重要的特點(diǎn)是永磁同步電機(jī)是高效率的，它的特點(diǎn)是沒有磁場和轉(zhuǎn)子電流損失。這一因素使得它在其他電動機(jī)上顯著用于高電流牽引應(yīng)用。另一個特點(diǎn)，是使其成為一個良好的溶液特從而別適用于海上和海底的車輛減少產(chǎn)生的噪音。兩個傳統(tǒng)的電流控制技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)在文獻(xiàn)中PMSMs：滯后和斜坡比較器控制2 - 11。滯環(huán)電流控制提供永磁同步電機(jī)快速和簡單的解決方案的推動性，但它使用了變開關(guān)頻率從而導(dǎo)致不平衡需要操作三相逆變器。另外，實際的相電流不

4、能被包含在上部和下部范圍。該斜坡比較器的電流控制器在另一方面提供了恒定的開關(guān)頻率，但它不能限制大的相位和線電流的幅值誤差。本文的重點(diǎn)是介紹一個完整的數(shù)字無差拍控制的永磁同步電機(jī)。其中提出的控制器和本文調(diào)整線路電流和端電壓電機(jī)具有兩個和四個采樣周期，分別為。使用40 MHz的數(shù)字信號處理器（DSP）限制了時間延遲所引起的計算。采樣頻率線電流和線電壓被認(rèn)為是40和20千赫。電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩具有與正交軸的當(dāng)前直接關(guān)系電機(jī)的計算。因此，輸出轉(zhuǎn)矩被調(diào)整在2個采樣周期，這被認(rèn)為是50 Sinthis。即電機(jī)的轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩與大型機(jī)械時間常數(shù)。在實踐中，控制器的動態(tài)不是一個純滯后，會造成一些理論偏差，但相位延

5、遲是可以忽略不計的。運(yùn)行速度低于20 000轉(zhuǎn)/分時?？刂破鞯臄?shù)學(xué)分析描述和仿真和實驗結(jié)果也可以呈現(xiàn)出幫助理解該系統(tǒng)理論的描述。永磁同步電機(jī)系統(tǒng)方程要永磁同步電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)的配置示圖。兩線的電壓和電動機(jī)的兩個線電流正在檢測，并使用采樣的內(nèi)部模擬 - 數(shù)字（A / D）的DSP的轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)子位置和速度是使用一個簡單的魯棒傳感器技術(shù)估計。然后，通過使用一個外電壓控制器和電流內(nèi)環(huán)控制器所產(chǎn)生的選通脈沖，以提供所需要的扭矩為電機(jī)。串并聯(lián)不間斷電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于兩個三腿雙向轉(zhuǎn)換器 一個永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，用可以忽略不計渦流假設(shè)的系統(tǒng)方程和磁滯損耗，由下式給出：其中“”表示推導(dǎo)，Id和Iq是D-d

6、q軸 電流，是電氣角速度，LD和LQ是 的d-dq軸電感，R1為各相的定子電阻， m中是交鏈磁通，雙摩擦系數(shù)，J是 轉(zhuǎn)動慣量，并列出了負(fù)載轉(zhuǎn)矩。生成的扭矩和轉(zhuǎn)子的機(jī)械速度由下式給出：在此，Tm是產(chǎn)生機(jī)械扭矩，M為轉(zhuǎn)子的機(jī)械速度，P是極pairs.To的數(shù)目最大化的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生馬達(dá)的，我們也其中“*”顯示的參考價值。q軸的電流由下式給出：參考電流對電機(jī)的每一相使用下列公式實現(xiàn)：從（1）和考慮（4）和（5），將d-Q軸系統(tǒng)的電壓的計算方法如下：對d-Q軸電壓轉(zhuǎn)換器，以使用相同的等式（6）ABC軸。這個系統(tǒng)在連續(xù)時域中的一個相的狀態(tài)空間方程給出如下：考慮Va和ILA作為狀態(tài)變量，狀態(tài)空間模型系統(tǒng)由下式給

7、出當(dāng)在這里，VPA和IA被視為輸入和干擾，分別。如果PWM變換器VPA和負(fù)載電流的輸出被認(rèn)為是在一個采樣周期內(nèi)恒定，這些連續(xù)的時域狀態(tài)空間方程轉(zhuǎn)換為連續(xù)的時域與Ts的采樣周期為 如下12：PMSMS全數(shù)字電流控制車輛應(yīng)用實現(xiàn)該系統(tǒng)的電流和電壓控制。當(dāng)其中0是LF和CF的角諧振頻率。該系統(tǒng)的采樣頻率始終被認(rèn)為是 比LF和CF的共振頻率要高得多。同該假設(shè)，（12）簡化為這種轉(zhuǎn)換是有效的差不多FS20f0。電壓和電流控制器該系統(tǒng)根據(jù)（13）的電流方程為 由下式給出如果Va和i*la被認(rèn)為是恒定的下一個開關(guān)周期中，PWM轉(zhuǎn)換器，它經(jīng)過兩個采樣周期校正ILA的錯誤的輸出電壓，被描述由9VA（第k +1）

8、的線性估計可從先前的值來實現(xiàn)代（14）和（16）在（15）和更新基準(zhǔn)電流ILA在每兩個采樣周期，在無差拍數(shù)字控制的電機(jī)電流由所述方程（17）可確保ILA和I之間的電流誤差la*在時刻k2變?yōu)榱?，隨著兩個采樣周期的延遲。避免電壓和電流控制環(huán)之間的相互作用，定子電壓Va進(jìn)行采樣，半當(dāng)前采樣頻率。根據(jù)（13）的電壓方程由下式給出：作為電流控制建議為非周期性，用兩個采樣周期的延遲，電容電流在時間k和第k +1由下式給出代（20）在（19）和更新基準(zhǔn)電流在每兩個采樣周期，VA（K2），由下式給出在k時刻i*ca的電流，從而校正VA的電壓誤差在時刻k4由下式給出：實現(xiàn)電壓和系統(tǒng)的電流控制的方框圖表示在圖2

9、，從（1），我們有由于機(jī)械系統(tǒng)具有大的時間常數(shù)，該方程可以很容易地轉(zhuǎn)換為利用TS的采樣周期如下的離散方程為：輸出扭矩的該后兩個采樣周期校正速度的誤差值被實現(xiàn)如下：該系統(tǒng)的電流和電壓控制器的方框圖。上圖顯示出了該系統(tǒng)的電壓和電流控制器的框圖。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器是由（25）給出，由（7）和（8），由（22），電壓調(diào)整器的電壓計算器，和由（17）的電流調(diào)節(jié)器。G1是所需要的計算時間延遲，G 2是PWM逆變器的時間延遲，和G3是輸出低通濾波器的傳遞函數(shù) 篩選。轉(zhuǎn)子角度和速度估計為了增加系統(tǒng)的魯棒性，并避免使用位置傳感器，一個簡單的無傳感器速度和位置估計技術(shù)已經(jīng)用于本文。兩線到線電壓和相電流測量，并用作輸入的估

10、計。相電壓計算如下：其中VAB和VAC是定子測量線電壓，和V和V是靜止的-框架上的定子電壓，如圖所示。 4。電氣轉(zhuǎn)子角度從固定幀的參數(shù)計算如下：由于轉(zhuǎn)子速度的方向的效果是通過將E項的兩個分量丟失，轉(zhuǎn)子角度的表達(dá)式時，轉(zhuǎn)子速度為負(fù)時將是不同的，即因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為負(fù)時，我們也有d-q和-框架的四極永磁同步電動機(jī)的矢量示意圖。如圖中的負(fù)的速度是很容易通過在兩個采樣周期進(jìn)行比較的值進(jìn)行檢測。轉(zhuǎn)子的速度從轉(zhuǎn)子位置的形式推導(dǎo)實現(xiàn)。兩個低通濾波器，用于濾除從所估計的轉(zhuǎn)子位置和速度給定為高頻失真控制器的分析圖5示出了系統(tǒng)的電流和電壓的時序圖。虛線表示的基準(zhǔn)值。的電流和電壓控制器的頻率響應(yīng)示于圖。6。評價表

11、明，該控制器的相位延遲隨頻率線性增加。不同階段中，控制器的增益保持統(tǒng)一為所有頻率范圍。對于頻率小于1千赫，該電流的相位滯后較低 控制器可以忽略不計。這個范圍包括該系統(tǒng)的操作區(qū)?？刂破鞯恼{(diào)整速度的頻率高于2kHz的能力變差。對于小于5 kHz的較高的頻率，電流控制器是不穩(wěn)定的。在實際系統(tǒng)中，機(jī)器操作遠(yuǎn)低于1千赫。例如，對于一個四極電機(jī)，1千赫的頻率是377000轉(zhuǎn)/分。因此，控制器有一個微不足道的相位延遲用于電機(jī)速度可達(dá)20000轉(zhuǎn)/分。電壓調(diào)節(jié)器的相位延遲的兩倍1電流控制器。有在對L和C選擇最佳值的權(quán)衡。圖。 5。定時的電流和電壓控制器。從上到下：永磁同步電機(jī)，電容C，電感L的電流，逆變器的輸

12、出電壓的電流端子圖。6。電流和電壓控制器的頻率響應(yīng)。這些被動元件大值創(chuàng)建了一個小的幅度，從而降低了控制器的速度一極。另一方面，如果他們選擇的非常小的，轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率將存在在電機(jī)端子。實驗驗證所提出的控制技術(shù)，實現(xiàn)和測試在實驗室一個2千瓦的永磁同步電機(jī)，其性能已經(jīng)得到了驗證。電流和電壓控制器進(jìn)行數(shù)字化使用TMS320LF2407的DSP構(gòu)成。該DSP具有40 MHz的時鐘頻率。采樣頻率被選擇為40和20千赫的電流和電壓，分別為。兩個線的電壓和兩個線電流是使用內(nèi)部A / D轉(zhuǎn)換器采樣。負(fù)載為5 N· m的值恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。直流母線的電壓被調(diào)節(jié)在440 V系統(tǒng)的參數(shù)示于表所示。圖7示出的轉(zhuǎn)子

13、速度，定子電流，而對于輕負(fù)載的輸出轉(zhuǎn)矩的模擬結(jié)果。圖。圖8示出了電機(jī)的工序速度參考的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速?；鶞?zhǔn)速度被設(shè)定在1225轉(zhuǎn)/分。在圖中所示的值。 8 （b）是在每秒弧度。電機(jī)用5N的重負(fù)載·米的速度被固定在大約0.2秒，這比所需的斜坡比較器的控制技術(shù)時相對較低。圖9示出了基準(zhǔn)和定子電流的實際值。圖10表示轉(zhuǎn)子角度的變化。控制器也被測試與從0階躍變化到1225轉(zhuǎn)/分鐘，然后以950轉(zhuǎn)/分。圖11示出了電動機(jī)與該基準(zhǔn)速度的轉(zhuǎn)子速度和輸出轉(zhuǎn)矩。圖。7。所述轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)/分鐘），定子的一相的電流，并輸出轉(zhuǎn)矩OFTHE電動機(jī)的速度：該系統(tǒng)為一個輕負(fù)載時，由上到下的仿真結(jié)果。圖。 8。電機(jī)與步進(jìn)

14、參考速度的機(jī)械輸出。 （a）扭矩（牛頓米）。 （b）速度（弧度每秒）圖。 9。給定和實際定子電流的一步參考速度。圖。10。變化的轉(zhuǎn)子角度與步參考速度。圖。11。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和脈沖參考速度輸出扭矩。為了比較，一個斜坡比較器的電流的控制也被實施并且機(jī)械輸出被示于圖12。對于5牛頓米的負(fù)載，電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下來后0.8秒，這比本文所介紹的無差拍控制方法的建立時間大得多。圖。12。電機(jī)與步進(jìn)參考速度的機(jī)械輸出。 （a）扭矩（牛頓米）。（b）速度（弧度每秒）。采用斜坡比較器電流控制方法總結(jié)一種新的數(shù)字電流控制器已經(jīng)在本文中被引入PMSMs。該控制器不具備與傳統(tǒng)的滯后和斜坡比較器電流控制方法相關(guān)的問題。它調(diào)整定

15、子電流，因此，馬達(dá)用的兩個采樣周期的延遲的輸出轉(zhuǎn)矩。理論分析和實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的響應(yīng)不是一個純粹的無差拍，并顯示從理論上一些變化。由于采樣頻率的電流和電壓被選擇得足夠高使用40 MHz的DSP，總的相位誤差和幅度誤差的速度約為20000轉(zhuǎn)/分鐘是微不足道的。其中所提出的仿真和實驗結(jié)果驗證了解析分析和永磁同步電機(jī)驅(qū)動器對這個新控制器的可行性。參考文獻(xiàn)1 M. Condo, “Application of permanent magnet synchronous motor todriving railway vehicles,”Railw. Technol. Avalanche, vol.

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