关键词:
盘式无铁心永磁同步电机
LC滤波器
电容电流反馈
状态观测器
比例积分谐振
摘要:
盘式无铁心永磁同步电机具有轴向尺寸短、高功率密度、无齿槽转矩、质量轻等显著优势,在新能源汽车驱动、航空航天以及工业驱动控制系统中具有广泛的应用前景。但无铁心电机电感极小,采用常规控制器驱动时相电流开关纹波很大,导致转矩脉动和噪声显著增大,损耗增加,发热严重。作为有效的解决方案之一,相较于高频的碳化硅方案,在逆变器和电机之间安装LC滤波器更经济、可靠。
然而,LC滤波器会在电流环中产生谐振现象,影响系统稳定运行。除了谐振谐波,由于磁粉芯材质磁芯具有软饱和特性,为提升磁芯利用率,所设计的滤波电感具有较强的非线性,产生更低次电流谐波。同时,由于无铁心电机转子结构和逆变器非线性等多方面因素,进一步导致电机带载运行时相电流中含有丰富的5、7次谐波,增加了转矩脉动。为此,本文对带LC滤波器的盘式无铁心电机驱动系统的谐振谐波和5、7次谐波进行抑制,具体研究内容如下:
针对采用LC滤波器后,电机电流回路中存在阻尼不足的谐振问题,研究了一种基于状态观测器的有源阻尼控制策略。首先,建立了带有LC滤波器的无铁心永磁电机及其控制系统数学模型,并基于数学模型分析了谐振现象产生的原因。在此基础上采用电容电流反馈有源阻尼(CCFAD)来抑制谐振现象,为了避免增加额外的电流传感器,对传统的的电容电流反馈阻尼策略进行改进,通过引入状态观测器来代替电容支路中的电流传感器去估计电容电流。该观测器采用电压、电流的双滑模面设计对系统进行降阶,使得增益参数设计更加简单。通过MATLAB/Simulink仿真研究了有源阻尼对谐振谐波的抑制效果,结果表明:无阻尼的LC滤波器会产生比较大的谐振谐波,反而恶化了电流波形,加入电容电流反馈后谐振问题得到有效抑制。
针对采用LC滤波器后,磁粉芯滤波电感非线性等因素导致的5、7次谐波问题,提出在原有PI控制器的基础上增加谐振控制器的方法抑制相电流中更低次的谐波分量。为了实现在抑制谐振谐波的基础上,同时抑制更低次的谐波,本文推导了比例积分谐振(PIR)控制器在带LC滤波器的电机驱动系统中的传递函数,通过伯德图对系统穿越频率、幅值增益和相位裕度的分析,完成了控制参数的优化设计。通过MATLAB/Simulink仿真研究了PIR控制器对5、7次谐波的抑制效果,结果表明:采用PIR控制器取代PI控制器后,相电流波形正弦性明显提升,5、7次谐波含量明显减少,转矩脉动下降。
最后,搭建了带有LC滤波器的无铁心永磁电机驱动实验平台,并基于该平台在不同转速、不同滤波器参数下验证了谐振控制器与有源阻尼技术对谐波的抑制效果。电机转速1600rpm、负载转矩12Nm时,采用PIR+CCFAD控制器后,相电流总谐波畸变率(THD)值从27.13%降至14.55%,实现了谐振谐波与5、7次谐波的同时抑制。