绕组分段永磁直线同步电机驱动控制系统关键技术研究

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1、博士学位论文绕组分段永磁直线同步电机驱动控制系统关键技术研究RESEARCHONKEYTECHNOLOGIESOFDRIVEANDCONTROLSYSTEMFORWINDINGSEGMENTEDPMLSM祝贺哈尔滨工业大学2015年3月国内图书分类号：TM301.2学校代码：10213国际图书分类号：65.2密级：公开工学博士学位论文绕组分段永磁直线同步电机驱动控制系统关键技术研究博士研究生祝贺导师陈清泉院士副导师李立毅教授申请学位工学博士学科电机与电器所在单位电气工程及自动化学院答辩日期2015年3月授予学位单位哈尔滨工业大学ClassifiedIn

2、dex:TM301.2U.D.C:62-5DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONKEYTECHNOLOGIESOFDRIVEANDCONTROLSYSTEMFORWINDINGSEGMENTEDPMLSMCandidate：ZhuHeSupervisor：Prof.C.C.ChanAssistantSupervisor：Prof.LiLiyiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ElectricalMachin

3、eandApparatusAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：March,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要绕组分段永磁直线同步电机(windingsegmentedpermanentmagnetlinearsynchronousmotor，WS-PMLSM)不但具备PMLSM的诸多优点，还具有驱动电压低和效率高等优势，使其在民用和军用领域都有广阔的应用前景。然而WS-PMLSM是由多个

4、直线电机紧密拼接而成，初级分段的特殊结构将给驱动供电系统带来极大的挑战，且受相邻定子段间磁场耦合及端部效应的影响，关键电磁参数将随动子位置变化而改变，这必定造成多数电流控制方法和常规无位置传感器方法失效，甚至会影响整个系统的稳定性。综上所述，对WS-PMLSM驱动控制系统的研究具理论价值和实用意义。本文将对WS-PMLSM的分段原则与方法、电磁参数的变化规律、驱动电路设计及绕组切换控制方法、段间推力波动抑制和无位置传感器控制等关键技术展开深入的研究。为实现对WS-PMLSM的精确控制，需要探究其特殊的分段结构导致磁极位置对每段初级的电感、耦合磁链、感应

5、电动势等关键参数和电磁推力的影响。本文利用电磁场理论计算、有限元分析和实验测试的方法对主要电磁参数的变化规律进行研究，并针对参数变化对控制系统的影响进行分析，从而构建可变参数的WS-PMLSM数学模型。此外，还将针对WS-PMLSM的端部效应以及三相互感不对称机理对段内及段间电磁推力特性的影响进行研究。另外，还要对电机的动态特性展开研究，推导在电压和电流极限条件影响下，最大电磁推力与电机极限运行速度的关系。为了提升WS-PMLSM驱动效率、优化驱动效果、降低驱动成本，文中针对不同的应用背景，提出单逆变器串联/并联驱动电路拓扑结构、双逆变器交替驱动拓扑结

6、构及其衍生出的段间损耗优化驱动策略。通过对各类驱动电路及绕组切换瞬间的暂态特性，以及各段与磁极的耦合关系等问题进行分析，提出可以有效抑制切换瞬间推力波动并提升系统效率的绕组切换控制方法。为实现WS-PMLSM在宽调速范围内全行程无位置传感器电流-速度双闭环运行，本文结合WS-PMLSM的特性，提出基于段间电感参数变化规律的段间初始位置辨识方法，以及基于反馈自适应扩展滑模观测器的段间观测反电势同步合成法。首先，采用同步处理相邻两段定子的高频电流/电压响应幅值的方法确定WS-PMLSM在段间的初始位置。当电机处于高速度运行阶段，在所提滑模观测器的基础上根据

7、相邻两段定子观测反电势信号幅值的特点，提出两段观-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文测反电势同步复合计算法，以克服段间反电势幅值非周期性变化导致的段间位置辨识难题。另外，本文还将分析电阻和电感参数变化对观测精度和稳定性的影响。为实现减小相邻段间驱动电流差异抑制段间推力波动，兼具提升系统动态性能的目标，本文依据WS-PMLSM初次级局部耦合时的推力特点与驱动电流之间关系，提出以离散时间电流控制为核心的段间电流同步交替跟踪策略，以克服常规电流调节器（PID）动态性能不佳，尤其是在段间电流同步跟踪响应能力不足的问题。为充分提升电流控制环节的性能，还将对影响离

8、散时间电流控制方法的诸多因素如：数字系统的固有延迟，逆变器的死区时间，逆变器输出电压极限和系统