高铁永磁同步牵引电机同步调制区无位置传感器控制技术研究

High-speed railway system employing permanent magnet synchronous machine (PMSM) serves as the electrical traction core in the next generation train and the fault of position sensor during operation results in potential risk, which needs to be solved. Therefore, sensorless control method is essential for its safety operation. High-speed railway PMSM traction system operates usually in synchronous Pulse Width Modulation (PWM) mode where low-order frequency fast-changing harmonics exist and it brings extra challenge to the design of sensorless control method. The aim of this project is to solve the sensorless control problems of low-frequency harmonic disturbance and strong non-linearity of inverter arising from the synchronous PWM mode, the characteristic analysis of harmonic and non-linearity modeling will be performed; based on the arbitrary injection method that is fit for the whole speed range operation, a novel sensorless control method with high dynamic designated for synchronous PWM mode will be developed and guarantee the safety operation of high-speed train. The research results of this project are beneficial for a category PMSM traction application with high-power that needs sensorless control technique.

永磁牵引系统作为下一代高铁电传动系统的核心，其位置传感器故障在运行中会带来安全隐患，因此开展牵引电机的无位置传感器控制研究有重要意义。由于高铁永磁牵引系统主要工作在低开关频率的同步调制区，低次谐波快速变化的特点加大了无位置传感器控制算法的设计难度。本项目针对同步调制区存在的低次谐波干扰和强逆变器非线性问题，开展谐波特性理论分析，构建完整的逆变器非线性模型描述；基于适用全速度范围的任意信号注入法，设计适用于同步调制区的高动态无位置传感器控制方法，增强高铁行驶过程中的安全性。研究成果为解决一类大功率牵引用永磁同步电机的无位置传感器控制提供支撑。

高铁列车永磁牵引逆变器长期工作在低开关频率及分段同步调制下，由此带来的谐波成分快速变化、调制模式频繁切换、较长系统延时等问题都加大了无位置传感器控制算法的设计难度。.本项目针对这些问题，开展高铁分段同步调制下的永磁同步电机无位置传感器技术研究，主要内容包括：首先，在零低速下结合非对称空间矢量调制(Asymmetric Space Vector Modulation, ASVM)设计了一种简化信号处理过程的高频方波电压注入法，有效提升了转速和电流环带宽，降低了基波和高频响应信号畸变率。其次，在分段同步调制区基于任意信号注入法，以谐波冲击电流为零作为理论依据，提出一种中间60°快速平滑切换策略。通过在切换转速附近设置频率滞环区，消除了由估计转速微小波动引起的调制模式反复切换现象。为了增强滞环区的抗扰动性，基于滑模观测器的αβ轴电流估计误差，设计了一种负载转矩扰动补偿策略，确保了滞环区的始终有效。然后，基于改进的快速非奇异滑模结构对转速调节器、电流调节器及位置观测器进行了整体设计，提升了无位置闭环中估计转速、电流及估计位置信号的动态性。最后，开展了全速度范围基于混合位置观测器的系统延时补偿策略研究。对系统延时在方波注入法、反电势模型法及混合位置观测器中的影响机理进行了分析，基于此，提出了两种延时补偿策略，有效消除了系统时延对无位置传感器控制性能的影响。.综合以上论述，项目组所取得的研究进展和相关结论、数据可为高铁永磁牵引系统分段同步调制下的无位置传感器控制提供技术支撑和数据参考，对于我国第三代高铁牵引系统的安全行驶具有实际意义。项目团队共发表SCI论文7篇，国际会议论文4篇，申请国家发明专利2项，授权1项。培养了博士毕业生2名，硕士毕业生1名。.