高铁牵引永磁同步电机断电-重投动态机理与控制方法研究

随着高铁的快速发展，具有高效、高功率密度及宽调速范围的永磁同步电机将成为新一代高铁驱动系统的核心。高速动车在跨分相区运行时，驱动系统不可避免地需要进行断电-重投操作，应用传统基于稳态模型的控制方法会导致切换中强烈的机械冲击，严重影响动车的安全运行。本项目拟开展永磁同步电机断电-重投切换过程的动态机理分析，研究基于气隙磁链规划的转矩冲击抑制算法。运用物理相参数建模方法，构建定子三相坐标下动态模型框架；引入等效阻尼绕组表征转子永磁体和铁心中非基波分量引起的涡流效应；设计特定次高频谐波注入短路法实验进行瞬变参数的测试；将自适应反演引入定转子磁链观测器设计，提高磁链观测准确性和快速性；以气隙磁链最优规划为准则，应用直接瞬时转矩控制，实现切换过程冲击的抑制。研究重点在于获取考虑永磁同步电机断电-重投过程各种非线性效应影响的完整描述，并据此设计基于气隙磁链最优规划准则的直接瞬时转矩控制算法。

本项目围绕高铁牵引用永磁同步电机断电-重投动态过程中因电流瞬变引起的机械冲击问题，从电机瞬态参数模型出发，分析该复杂动态过程中电流和转矩冲击的产生机理，开展了基于物理相参数法、有限元分析法及半物理仿真相结合的永磁同步电机动态建模研究，并通过仿真计算和实验测试以获取瞬变过程模型参数，设计了重投过程的转矩冲击抑制寻优控制方法，搭建了实验平台开展相关验证。取得的研究进展如下：.(1)重投过程瞬态电流和转矩冲击产生机理研究。通过对多谐波含量的PWM输出电压及电机正弦波反电势之间动态关系的分析，阐明了重投冲击的产生机理，给出了电流瞬态分量的等效数学描述。针对不同重投角度分析了三相电流的冲击强度，得到了重投瞬间冲击电流幅值最小的优化重投角度。.(2) 断电-重投过程中的永磁同步电机瞬态参数数学模型的建立。考虑电机在磁场饱和效应、谐波和涡流等影响下的瞬态参数变化，引入等效虚拟阻尼绕组变量，建立了稳态模型和涉及瞬变参数的动态模型。基于JMAG与Matlab的联合仿真，融合物理相参数法、有限元分析法的联合建模，形成了用于控制策略分析的非线性时变模型及改进的半物理实时仿真模型。.(3) 断电-重投过程中永磁同步电机的瞬变参数分析、测试及参数在线辨识。对重投过程中瞬变参数进行了分析、验证和提取，分别投入定子合成磁场与转子磁场相位差值不同的定子电压，在频域中分析了谐波含量及产生原因。针对部分瞬态过程参数的实时测量和定量值获取难度较大的问题，通过相应参数的离线及在线辨识算法予以估计。.(4) 断电-重投过程中永磁同步电机转矩冲击抑制解耦控制方法的研究。设计了重投瞬间抑制冲击的闭环优化控制系统，使用神经网络逆系统实现了转速与磁链的动态解耦，并以多项式交叉耦合补偿方案解决了电流环的耦合。针对重投过程的冲击，采用鲁棒控制策略以增强系统调节的鲁棒性。提出了一种改进的重投拓扑结构及相应控制策略，采用以能量转化为基础的直流回路再生回馈控制方法，以降低交流重投时机选择的难度。.(5) 断电-重投算法验证实验平台的搭建。设计了一套符合动车运行特性的大惯量、可回馈、易测试的永磁电机控制系统实时仿真平台。将硬件在回路实时仿真与永磁电机四象限驱动结合，通过专门设计的大惯量电机对拖平台、专用驱动器及上位监测软硬件，完成了额定转速范围内的断电-重投模拟实验，验证并优化了相关建模分析和控制算法。