車(chē)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(dòng)機(jī)的車(chē)輛應(yīng)用程序阿德?tīng)?· 納西里、 高級(jí)會(huì)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(chē)輛的能力。在本文中，一個(gè)新的數(shù)字無(wú)差拍控制器的設(shè)計(jì)，將實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用到永磁體同步機(jī)中?？刂破鞯哪繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的速度的無(wú)差拍的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過(guò)對(duì)控制器的分析表明，它調(diào)節(jié)電流并用2和4個(gè)采樣周期電壓的機(jī)器。魯棒傳感器簡(jiǎn)單的方式來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子的位置和速度。以及一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(tái)機(jī)器。關(guān)鍵詞：電流控制，數(shù)字控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(chē)輛中一般是減小電機(jī)的尺寸。通常，齒輪箱的使用會(huì)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(dòng)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(gè)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(lái)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(gè)永磁同步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，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(dòng)機(jī)可利用很高。然而，還需要一個(gè)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(méi)有磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子電流損失。這一因素使得它在其他電動(dòng)機(jī)上顯著用于高電流牽引應(yīng)用。另一個(gè)特點(diǎn)，是使其成為一個(gè)良好的溶液特從而別適用于海上和海底的車(chē)輛減少產(chǎn)生的噪音。兩個(gè)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(jiǎn)單的解決方案的推動(dòng)性，但它使用了變開(kāi)關(guān)頻率從而導(dǎo)致不平衡需要操作三相逆變器。另外，實(shí)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(kāi)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(gè)完整的數(shù)字無(wú)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(gè)和四個(gè)采樣周期，分別為。使用40 MHz的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）限制了時(shí)間延遲所引起的計(jì)算。采樣頻率線電流和線電壓被認(rèn)為是40和20千赫。電動(dòng)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(jì)算。因此，輸出轉(zhuǎn)矩被調(diào)整在2個(gè)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(shí)間常數(shù)。在實(shí)踐中，控制器的動(dòng)態(tài)不是一個(gè)純滯后，會(huì)造成一些理論偏差，但相位延

5、遲是可以忽略不計(jì)的。運(yùn)行速度低于20 000轉(zhuǎn)/分時(shí)?？刂破鞯臄?shù)學(xué)分析描述和仿真和實(shí)驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)的配置示圖。兩線的電壓和電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)線電流正在檢測(cè)，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(gè)簡(jiǎn)單的魯棒傳感器技術(shù)估計(jì)。然后，通過(guò)使用一個(gè)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(gè)三腿雙向轉(zhuǎn)換器 一個(gè)永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，用可以忽略不計(jì)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(dòng)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(jià)值。q軸的電流由下式給出：參考電流對(duì)電機(jī)的每一相使用下列公式實(shí)現(xiàn)：從（1）和考慮（4）和（5），將d-Q軸系統(tǒng)的電壓的計(jì)算方法如下：對(duì)d-Q軸電壓轉(zhuǎn)換器，以使用相同的等式（6）ABC軸。這個(gè)系統(tǒng)在連續(xù)時(shí)域中的一個(gè)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(gè)采樣周期內(nèi)恒定，這些連續(xù)的時(shí)域狀態(tài)空間方程轉(zhuǎn)換為連續(xù)的時(shí)域與Ts的采樣周期為 如下12：PMSMS全數(shù)字電流控制車(chē)輛應(yīng)用實(shí)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(jiǎn)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(gè)開(kāi)關(guān)周期中，PWM轉(zhuǎn)換器，它經(jīng)過(guò)兩個(gè)采樣周期校正ILA的錯(cuò)誤的輸出電壓，被描述由9VA（第k +1）

8、的線性估計(jì)可從先前的值來(lái)實(shí)現(xiàn)代（14）和（16）在（15）和更新基準(zhǔn)電流ILA在每?jī)蓚€(gè)采樣周期，在無(wú)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(shí)刻k2變?yōu)榱?，隨著兩個(gè)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(gè)采樣周期的延遲，電容電流在時(shí)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?jī)蓚€(gè)采樣周期，VA（K2），由下式給出在k時(shí)刻i*ca的電流，從而校正VA的電壓誤差在時(shí)刻k4由下式給出：實(shí)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(shí)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(gè)采樣周期校正速度的誤差值被實(shí)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(jì)算器，和由（17）的電流調(diào)節(jié)器。G1是所需要的計(jì)算時(shí)間延遲，G 2是PWM逆變器的時(shí)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(jì)為了增加系統(tǒng)的魯棒性，并避免使用位置傳感器，一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)傳感器速度和位置估計(jì)技術(shù)已經(jīng)用于本文。兩線到線電壓和相電流測(cè)量，并用作輸入的估

10、計(jì)。相電壓計(jì)算如下：其中VAB和VAC是定子測(cè)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(jì)算如下：由于轉(zhuǎn)子速度的方向的效果是通過(guò)將E項(xiàng)的兩個(gè)分量丟失，轉(zhuǎn)子角度的表達(dá)式時(shí)，轉(zhuǎn)子速度為負(fù)時(shí)將是不同的，即因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為負(fù)時(shí)，我們也有d-q和-框架的四極永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量示意圖。如圖中的負(fù)的速度是很容易通過(guò)在兩個(gè)采樣周期進(jìn)行比較的值進(jìn)行檢測(cè)。轉(zhuǎn)子的速度從轉(zhuǎn)子位置的形式推導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)低通濾波器，用于濾除從所估計(jì)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(shí)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(píng)價(jià)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(duì)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(jì)。這個(gè)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(duì)于小于5 kHz的較高的頻率，電流控制器是不穩(wěn)定的。在實(shí)際系統(tǒng)中，機(jī)器操作遠(yuǎn)低于1千赫。例如，對(duì)于一個(gè)四極電機(jī)，1千赫的頻率是377000轉(zhuǎn)/分。因此，控制器有一個(gè)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(duì)L和C選擇最佳值的權(quán)衡。圖。 5。定時(shí)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(dòng)元件大值創(chuàng)建了一個(gè)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(kāi)關(guān)頻率將存在在電機(jī)端子。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)和測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室一個(gè)2千瓦的永磁同步電機(jī)，其性能已經(jīng)得到了驗(yàn)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(shí)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(gè)線的電壓和兩個(gè)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(duì)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。基準(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(shí)相對(duì)較低。圖9示出了基準(zhǔn)和定子電流的實(shí)際值。圖10表示轉(zhuǎn)子角度的變化?？刂破饕脖粶y(cè)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(dòng)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(dòng)機(jī)的速度：該系統(tǒng)為一個(gè)輕負(fù)載時(shí)，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(shí)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(gè)斜坡比較器的電流的控制也被實(shí)施并且機(jī)械輸出被示于圖12。對(duì)于5牛頓米的負(fù)載，電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下來(lái)后0.8秒，這比本文所介紹的無(wú)差拍控制方法的建立時(shí)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(wèn)題。它調(diào)整定

15、子電流，因此，馬達(dá)用的兩個(gè)采樣周期的延遲的輸出轉(zhuǎn)矩。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的響應(yīng)不是一個(gè)純粹的無(wú)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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了解析分析和永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)這個(gè)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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