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1、全数字电流控制的永久磁铁同步电动机的车辆应用程序阿德尔 纳西里、 高级会员 IEEE摘要：鉴于永磁同步电机的高效率，结构紧凑，和所产生的较少噪音，使得它们具有可以接收更多关注于陆地，海上的牵引应用，和铁路车辆的能力。在本文中，一个新的数字无差拍控制器的设计，将实现和应用到永磁体同步机中。控制器的目标是实现对机器的速度的无差拍的动态响应。通过对控制器的分析表明，它调节电流并用2和4个采样周期电压的机器。鲁棒传感器简单的方式来估计转子的位置和速度。以及一个实验结果其中显示的可行性雏型电的呈现，并提出了如何控制这台机器。关键词：电流控制，数字控制，电机驱动器， 永磁同步电机（PMSM），传感器， 牵
2、引。引言牵引电机必须具有提供高效率，体积小，耐用性好，重量轻的特性。且也应该需要最少的维护。目前，感应及直流电机用作牵引马达的铁路车辆中一般是减小电机的尺寸。通常，齿轮箱的使用会增加传输损耗，发出噪音，并且需要频繁的维护。用常规牵引电机变速箱的优点是：1）减少机械冲击在电机轴上; 2）重量更轻，更快的旋转，较小的力矩需求3）较小的簧下质量。使得永久永磁同步电机（PMSM）更紧凑，重量轻，它们可以用在直接驱动系统，而不具备其他设备中所提到的缺点。采用永磁同步电机的另一个优点是使用了全封闭的牵引电机。通常情况下，牵引电机采用了大量的通风散热风扇来降低电机温度。这些风扇通常迫使灰尘和污物进入，需要预
3、定启用和牵引电机，清洁电机。一个永磁同步电动机工作时，需要较高的效率和少产生的热量，故而完全封闭的牵引电动机可利用很高。然而，还需要一个独立的冷却系统的轴承。其中的最重要的特点是永磁同步电机是高效率的，它的特点是没有磁场和转子电流损失。这一因素使得它在其他电动机上显著用于高电流牵引应用。另一个特点，是使其成为一个良好的溶液特从而别适用于海上和海底的车辆减少产生的噪音。两个传统的电流控制技术已经呈现在文献中PMSMs：滞后和斜坡比较器控制2 - 11。滞环电流控制提供永磁同步电机快速和简单的解决方案的推动性，但它使用了变开关频率从而导致不平衡需要操作三相逆变器。另外，实际的相电流不能被包含在上部
4、和下部范围。该斜坡比较器的电流控制器在另一方面提供了恒定的开关频率，但它不能限制大的相位和线电流的幅值误差。本文的重点是介绍一个完整的数字无差拍控制的永磁同步电机。其中提出的控制器和本文调整线路电流和端电压电机具有两个和四个采样周期，分别为。使用40 MHz的数字信号处理器（DSP）限制了时间延迟所引起的计算。采样频率线电流和线电压被认为是40和20千赫。电动机的输出转矩具有与正交轴的当前直接关系电机的计算。因此，输出转矩被调整在2个采样周期，这被认为是50 Sinthis。即电机的转速下的转矩与大型机械时间常数。在实践中，控制器的动态不是一个纯滞后，会造成一些理论偏差，但相位延迟是可以忽略不
5、计的。运行速度低于20 000转/分时。控制器的数学分析描述和仿真和实验结果也可以呈现出帮助理解该系统理论的描述。永磁同步电机系统方程要永磁同步电机的驱动系统的配置示图。两线的电压和电动机的两个线电流正在检测，并使用采样的内部模拟 - 数字（A / D）的DSP的转换器。转子位置和速度是使用一个简单的鲁棒传感器技术估计。然后，通过使用一个外电压控制器和电流内环控制器所产生的选通脉冲，以提供所需要的扭矩为电机。串并联不间断电源拓扑结构基于两个三腿双向转换器 一个永磁同步电机在同步旋转坐标系，用可以忽略不计涡流假设的系统方程和磁滞损耗，由下式给出：其中“”表示推导，Id和Iq是D-dq轴 电流，是
6、电气角速度，LD和LQ是 的d-dq轴电感，R1为各相的定子电阻， m中是交链磁通，双摩擦系数，J是 转动惯量，并列出了负载转矩。生成的扭矩和转子的机械速度由下式给出：在此，Tm是产生机械扭矩，M为转子的机械速度，P是极pairs.To的数目最大化的转矩产生马达的，我们也其中“*”显示的参考价值。q轴的电流由下式给出：参考电流对电机的每一相使用下列公式实现：从（1）和考虑（4）和（5），将d-Q轴系统的电压的计算方法如下：对d-Q轴电压转换器，以使用相同的等式（6）ABC轴。这个系统在连续时域中的一个相的状态空间方程给出如下：考虑Va和ILA作为状态变量，状态空间模型系统由下式给出当在这里，V
7、PA和IA被视为输入和干扰，分别。如果PWM变换器VPA和负载电流的输出被认为是在一个采样周期内恒定，这些连续的时域状态空间方程转换为连续的时域与Ts的采样周期为 如下12：PMSMS全数字电流控制车辆应用实现该系统的电流和电压控制。当其中0是LF和CF的角谐振频率。该系统的采样频率始终被认为是 比LF和CF的共振频率要高得多。同该假设，（12）简化为这种转换是有效的差不多FS20f0。电压和电流控制器该系统根据（13）的电流方程为 由下式给出如果Va和i*la被认为是恒定的下一个开关周期中，PWM转换器，它经过两个采样周期校正ILA的错误的输出电压，被描述由9VA（第k +1）的线性估计可从
8、先前的值来实现代（14）和（16）在（15）和更新基准电流ILA在每两个采样周期，在无差拍数字控制的电机电流由所述方程（17）可确保ILA和I之间的电流误差la*在时刻k2变为零，随着两个采样周期的延迟。避免电压和电流控制环之间的相互作用，定子电压Va进行采样，半当前采样频率。根据（13）的电压方程由下式给出：作为电流控制建议为非周期性，用两个采样周期的延迟，电容电流在时间k和第k +1由下式给出代（20）在（19）和更新基准电流在每两个采样周期，VA（K2），由下式给出在k时刻i*ca的电流，从而校正VA的电压误差在时刻k4由下式给出：实现电压和系统的电流控制的方框图表示在图2，从（1），我
9、们有由于机械系统具有大的时间常数，该方程可以很容易地转换为利用TS的采样周期如下的离散方程为：输出扭矩的该后两个采样周期校正速度的误差值被实现如下：该系统的电流和电压控制器的方框图。上图显示出了该系统的电压和电流控制器的框图。转矩调节器是由（25）给出，由（7）和（8），由（22），电压调整器的电压计算器，和由（17）的电流调节器。G1是所需要的计算时间延迟，G 2是PWM逆变器的时间延迟，和G3是输出低通滤波器的传递函数 筛选。转子角度和速度估计为了增加系统的鲁棒性，并避免使用位置传感器，一个简单的无传感器速度和位置估计技术已经用于本文。两线到线电压和相电流测量，并用作输入的估计。相电压计算
10、如下：其中VAB和VAC是定子测量线电压，和V和V是静止的-框架上的定子电压，如图所示。 4。电气转子角度从固定帧的参数计算如下：由于转子速度的方向的效果是通过将E项的两个分量丢失，转子角度的表达式时，转子速度为负时将是不同的，即因此，当转子的转速为负时，我们也有d-q和-框架的四极永磁同步电动机的矢量示意图。如图中的负的速度是很容易通过在两个采样周期进行比较的值进行检测。转子的速度从转子位置的形式推导实现。两个低通滤波器，用于滤除从所估计的转子位置和速度给定为高频失真控制器的分析图5示出了系统的电流和电压的时序图。虚线表示的基准值。的电流和电压控制器的频率响应示于图。6。评价表明，该控制器的
11、相位延迟随频率线性增加。不同阶段中，控制器的增益保持统一为所有频率范围。对于频率小于1千赫，该电流的相位滞后较低 控制器可以忽略不计。这个范围包括该系统的操作区。控制器的调整速度的频率高于2kHz的能力变差。对于小于5 kHz的较高的频率，电流控制器是不稳定的。在实际系统中，机器操作远低于1千赫。例如，对于一个四极电机，1千赫的频率是转/分。因此，控制器有一个微不足道的相位延迟用于电机速度可达20000转/分。电压调节器的相位延迟的两倍1电流控制器。有在对L和C选择最佳值的权衡。图。 5。定时的电流和电压控制器。从上到下：永磁同步电机，电容C，电感L的电流，逆变器的输出电压的电流端子图。6。电
12、流和电压控制器的频率响应。这些被动元件大值创建了一个小的幅度，从而降低了控制器的速度一极。另一方面，如果他们选择的非常小的，转换器的开关频率将存在在电机端子。实验验证所提出的控制技术，实现和测试在实验室一个2千瓦的永磁同步电机，其性能已经得到了验证。电流和电压控制器进行数字化使用TMS320LF2407的DSP构成。该DSP具有40 MHz的时钟频率。采样频率被选择为40和20千赫的电流和电压，分别为。两个线的电压和两个线电流是使用内部A / D转换器采样。负载为5 N m的值恒转矩负载。直流母线的电压被调节在440 V系统的参数示于表所示。图7示出的转子速度，定子电流，而对于轻负载的输出转矩
13、的模拟结果。图。图8示出了电机的工序速度参考的输出转矩和转速。基准速度被设定在1225转/分。在图中所示的值。 8 （b）是在每秒弧度。电机用5N的重负载米的速度被固定在大约0.2秒，这比所需的斜坡比较器的控制技术时相对较低。图9示出了基准和定子电流的实际值。图10表示转子角度的变化。控制器也被测试与从0阶跃变化到1225转/分钟，然后以950转/分。图11示出了电动机与该基准速度的转子速度和输出转矩。图。7。所述转子（转/分钟），定子的一相的电流，并输出转矩OFTHE电动机的速度：该系统为一个轻负载时，由上到下的仿真结果。图。 8。电机与步进参考速度的机械输出。 （a）扭矩（牛顿米）。 （b
14、）速度（弧度每秒）图。 9。给定和实际定子电流的一步参考速度。图。10。变化的转子角度与步参考速度。图。11。转子转速和脉冲参考速度输出扭矩。为了比较，一个斜坡比较器的电流的控制也被实施并且机械输出被示于图12。对于5牛顿米的负载，电机的转速稳定下来后0.8秒，这比本文所介绍的无差拍控制方法的建立时间大得多。图。12。电机与步进参考速度的机械输出。 （a）扭矩（牛顿米）。（b）速度（弧度每秒）。采用斜坡比较器电流控制方法总结一种新的数字电流控制器已经在本文中被引入PMSMs。该控制器不具备与传统的滞后和斜坡比较器电流控制方法相关的问题。它调整定子电流，因此，马达用的两个采样周期的延迟的输出转矩
15、。理论分析和实验结果表明，该系统的响应不是一个纯粹的无差拍，并显示从理论上一些变化。由于采样频率的电流和电压被选择得足够高使用40 MHz的DSP，总的相位误差和幅度误差的速度约为20000转/分钟是微不足道的。其中所提出的仿真和实验结果验证了解析分析和永磁同步电机驱动器对这个新控制器的可行性。参考文献1 M. Condo, “Application of permanent magnet synchronous motor todriving railway vehicles,”Railw. Technol. Avalanche, vol. 1, no. 1, p. 6,Jan. 2003.2 T. D. Batzel and K. Y. Lee, “Electric propulsion with sensorless permanent magnet synchronous motor: Implementation and performance,”IEEE Trans. Energy Convers., vol. 20, no. 3, pp.
