【摘要】：高精密工業(yè)場合對數(shù)控機床的生產(chǎn)工藝和效率提出了嚴(yán)苛的要求,其技術(shù)核心是數(shù)控機床主軸驅(qū)動的“高速及超高速化”。感應(yīng)電機具有結(jié)構(gòu)成熟、調(diào)速范圍寬、可靠性高、過載能力強等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床驅(qū)動系統(tǒng)中。但高檔數(shù)控機床的多復(fù)雜工況應(yīng)用要求、高速控制系統(tǒng)內(nèi)部多約束條件以及感應(yīng)電機本身的多變量、非線性、強耦合特性,導(dǎo)致高速控制技術(shù)依然存在諸多技術(shù)難點。本文在探討感應(yīng)電機高速運行多重約束(最大電壓、最大電流、最大轉(zhuǎn)差)的基礎(chǔ)上,著眼于系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)提升、極限轉(zhuǎn)矩拓展以及超高速穩(wěn)定運行三項關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)復(fù)雜苛刻工況(高速四象限運行,帶載高速階躍啟停,極限帶載等)下大轉(zhuǎn)矩高動態(tài)寬調(diào)速范圍的穩(wěn)定運行。首先,探討多約束下感應(yīng)電機高速運行的電流調(diào)節(jié)與分配問題。作為保證系統(tǒng)高速運行能力的兩大基本要素,電流調(diào)節(jié)要求設(shè)計的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)需要綜合考慮解耦、反電動勢補償、抗積分飽和、離散化精度、延時補償?shù)榷喾矫嬉蛩?電流分配需要基于實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩的電壓電流矢量軌跡進(jìn)行電壓閉環(huán)的弱磁控制策略設(shè)計,本文分析、整合并總結(jié)上述要點,完成了滿足要求的優(yōu)化PI型電流調(diào)節(jié)器設(shè)計和弱磁控制器設(shè)計與仿真驗證。其次,針對Windup現(xiàn)象引發(fā)的高速弱磁系統(tǒng)動態(tài)問題,將系統(tǒng)抽象為“多重Windup嵌套”模型,深入分析了系統(tǒng)內(nèi)部弱磁控制器電壓給定、電流調(diào)節(jié)器Anti-windup限幅以及SVPWM約束電壓三者邊界的非一致問題,提出一致性設(shè)計準(zhǔn)則。接著,對系統(tǒng)階躍加速至弱磁區(qū)過程中,Windup導(dǎo)致的過渡段電流波動及無法有效跟隨問題,首次給出過程分析,總結(jié)本質(zhì)原因,提出一種自鎖限幅結(jié)構(gòu),通過電壓矢量的直接控制對電壓裕量的重新分配,實驗結(jié)果表明,算法有效緩解了上述的動態(tài)問題。再次,通過電壓拓展區(qū)運行的方式實現(xiàn)極限轉(zhuǎn)矩的拓展,同時兼顧轉(zhuǎn)矩質(zhì)量。由于尚未有文獻(xiàn)對電壓提升與轉(zhuǎn)矩拓展間的關(guān)系進(jìn)行明確分析,提出一種電壓拓展區(qū)最大轉(zhuǎn)矩通用定量分析法,明晰電壓拓展、轉(zhuǎn)矩提升、轉(zhuǎn)矩波動三者關(guān)系。進(jìn)一步對兩類特定工況下的轉(zhuǎn)矩及其動態(tài)表現(xiàn)進(jìn)行分析:高速階躍剎車下的直流母線電壓過壓和高速下的負(fù)載突變�；谏鲜龇治�,提出一種運行點選擇弱磁控制器結(jié)構(gòu)�？刂破骺稍趯崿F(xiàn)極限轉(zhuǎn)矩拓展的同時權(quán)衡轉(zhuǎn)矩波動的抑制,同時具有良好魯棒性和直流母線過壓抗擾性。實驗驗證并對比了其相較于已有控制器的優(yōu)越性。最后,為了拓寬弱磁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速范圍至超高速區(qū),對感應(yīng)電機的深度弱磁區(qū)控制算法進(jìn)行研究。對比了已有電壓電流控制方法的差異,并證明其等價性。推導(dǎo)計及定子電阻的深度弱磁區(qū)理論最大轉(zhuǎn)矩點以進(jìn)一步挖掘其有限的轉(zhuǎn)矩輸出能力。首次將電流調(diào)節(jié)器解耦通道與弱磁控制結(jié)合考慮,提出一種單電流解耦通路閉環(huán)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。在實現(xiàn)閉環(huán)控制的同時,省卻了額外了PI控制器和參數(shù)調(diào)試過程。仿真和實驗完成了相關(guān)驗證工作。進(jìn)一步地,將算法移植至24000rpm的高速主軸伺服感應(yīng)電機平臺,并與目前國際領(lǐng)先的TDE公司的OPDE-V032A系列變頻器高速驅(qū)動算法對比測試,驗證了算法的通用性以及良好的高速階躍加減速性能。
【圖文】：

圖 1-1 高速控制技術(shù)發(fā)展概況國際方面，1992 年，美國威斯康星大學(xué) WEMPEC 研究中心 Donald W.Novotny 教授提出了經(jīng)典的勵磁轉(zhuǎn)速反比即“1/ωr”弱磁方法[20]，，并得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用。1995 年, 密蘇里大學(xué)的 Scott D. Sudhoff 提出了電流誤差法[21]，首次將閉環(huán)思想引入弱磁控制中。1997 年，韓國首爾大學(xué)的 SPEC 研究中心Seung-Ki Sul 教授提出了著名的通過電壓閉環(huán)矯正勵磁電流給定的弱磁控制方式[22](Voltage Controller Flux-weakening Scheme, VCFS)以實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩輸出。這種方式逐漸取代“1/ωr”而為工業(yè)界采用。1998 年~2001 年，美國威斯康星大學(xué)WEMPEC 研究中心 Robert D. Lorenz 教授團(tuán)隊提出并發(fā)展了用于高轉(zhuǎn)速下電流解耦的復(fù)矢量電流調(diào)節(jié)器，并進(jìn)一步對其在弱磁下的應(yīng)用進(jìn)行了研究[23-25]。同年，ABB 聯(lián)合研究中心的 Lars Gertmar 教授對最大轉(zhuǎn)矩弱磁控制的設(shè)計和參數(shù)選擇方面進(jìn)行較為系統(tǒng)的解答[26]。2002 年，德國 Joachim Holtz 教授團(tuán)隊探討了高速運行下過調(diào)制區(qū)的諧波補償問題[27]。2005 年以后，Seung-Ki Sul 教授團(tuán)隊針對不同電機進(jìn)行了一系列弱磁控制研究，使其運行于過調(diào)制區(qū)域[28,29]，并關(guān) 注 了 電 壓 裕 量 對 動 態(tài) 性 能 的 影 響[30]。 2007 年 ， 通 用 公 司 GabrielGallegos-López 團(tuán)隊提出查表法實現(xiàn)弱磁控制，并引入零矢量作為弱磁區(qū)標(biāo)志，

圖 1-2 本文研究重點概況本課題主要研究內(nèi)容如下：(1) 多約束下感應(yīng)電機高速運行的電流調(diào)節(jié)與分配方法研究。為了將電機調(diào)速范圍拓寬至基速以上，需要對從 dq 電流反饋調(diào)節(jié)與給定分配兩個方面進(jìn)行優(yōu)化。一方面，針對高速下的系統(tǒng)特性，考慮電機電壓分量變化與載波比降低帶來的數(shù)字控制問題，多角度對比、分析并設(shè)計優(yōu)化 PI 型電流調(diào)節(jié)器以滿足高速下的電流調(diào)節(jié)要求；另一方面，考慮電機高速運行的多約束條件(最大電流、最大電壓和最大轉(zhuǎn)差)，基于理想最大轉(zhuǎn)矩控制思想，得到電流電壓矢量運行軌跡，分析利用電壓閉環(huán)思想的弱磁控制策略對電流分配的基本原理，并通過仿真對比驗證弱磁算法的有效性。(2) 多重 Windup 弱磁系統(tǒng)分析及其動態(tài)性能提升方法。分析弱磁系統(tǒng)內(nèi)部弱磁控制器給定電壓、電流調(diào)節(jié)器 Anti-windup 限幅以及逆變器極限電壓三者邊界的非一致導(dǎo)致的動態(tài)問題并總結(jié)一致性設(shè)計準(zhǔn)則。針對由基速區(qū)階躍加速至弱磁區(qū)的過渡段內(nèi)存在的 Windup 問題，詳盡分析其產(chǎn)生機理，得到指導(dǎo)性結(jié)論。提出自鎖限幅結(jié)構(gòu)(Self-Locking Limit Block, SL-LB)，在過渡段內(nèi)自動切換至電壓矢量直接控制模式，并在保證最大電壓利用率的前提下重新分配電
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM346

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2640292