[发明专利]一种LCL滤波的高速永磁同步电动机高动态协同控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种LCL滤波的高速永磁同步电动机高动态协同控制系统，属电动机控制领域，用于实现新一代高速永磁同步电动机的高动态转矩响应、平滑起动和平滑驱动控制。

背景技术

高速三相永磁同步电动机转速从几万转到十几万转，具有功率密度大、几何尺寸小、重量轻、响应快等优点，可直接与高速机械设备连接，能有效提高系统效率，节能效果显著。电磁轴承支承的高速永磁电机及其控制技术发展迅速，已在磁悬浮离心鼓风机、磁悬浮离心压缩机、磁悬浮储能飞轮和磁悬浮微汽轮发电机等“绿色”节能高速动力机械中得到应用，例如，美国Quantima基于高速三相永磁同步电动机的磁悬浮离心压缩机额定功率300kW，系统节能最高可达25％，德国Piller磁悬浮离心鼓风机的150kW高速三相永磁同步电动机最高转速28500r/min，与经典的罗茨鼓风机相比系统效率提高12％。高速永磁电机及其控制技术作为一个国家工业化先进程度和科学技术发展水平的重要特征和标志，已引起美国、德国、瑞典、丹麦等世界各先进工业强国的极大关注。

高速永磁电机普遍采用高频、非正弦PWM逆变器供电，频率可达几千赫兹到几万赫兹，由于转速高，高速三相永磁同步电动机需要在转子的磁钢外面加一个不导磁的金属护套，PWM逆变器的开关过程在电机中产生的高频交变磁场会在转子护套中感应出一定量的涡流，导致铁耗增加，并且产生较大的转矩脉动和电磁干扰。高速永磁电机的损耗密度较大，而散热又比较困难。因此，要求电机绕组的电压和电流为正弦波，以减小高次谐波的附加损耗，为此需要对永磁高速电机功率变换器的拓扑结构和控制策略进行深入研究。

高速永磁电机的PAM调速方式，广义上电感、电容也是起到滤波和能量传递的作用，但现有研究仅解决了电机电动运行的平滑驱动问题，对反接制动、回馈制动或能耗制动没有提出解决方案。在逆变器输出端与高速永磁电机之间加滤波器不仅可以滤除逆变器输出的高次谐波，而且滤波器接外壳还可以滤除逆变器输出的零序分量，抑制电机中性点对地的零序电压经定子绕组与转子和定子边的寄生电容产生的电流，避免其对电机造成损害，并且能够实现制动过程的平滑驱动。

为抑制开关频率输出电流谐波，LCL滤波器在电压源PWM控制逆变器中成为首选，它与L型或LC型滤波器相比，LCL滤波器对电流高频分量具有更强的抑制能力，LCL的不同比例组合使滤波器在高频段有不同的衰减特性，而低频段增益与L型或LC型滤波器相同。显然，LCL滤波器通过引入电容C，使高频衰减显著增强，有利于抑制开关纹波。但是滤波器的引入又带来了新的问题：LCL的引入使滤波器由一阶系统变为三阶系统，高速永磁电机调速范围宽，由于滤波器的存在，会使电机电流产生相移，并且相移跟随转速变化，此时高速电机系统在非线性、参数摄动、负载扰动和未建模动态的综合作用下，其鲁棒性和转矩、转速的动态跟踪精度难以保证。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服了现有低速控制精度低的不足，提供一种LCL滤波的高速永磁同步电动机高动态协同控制系统，实现了高速永磁同步电动机的平滑起动和平滑驱动控制，大大提高了高速永磁同步电动机的转矩动态响应性能。

本发明的技术解决方案：一种LCL滤波的高速永磁同步电动机高动态协同控制系统，其特征在于包括：由数字信号处理器为核心的高动态协同控制器、三相整流器、驱动隔离环节、三相桥智能功率模块、LCL输出电力滤波器、三相永磁同步电动机、+5V开关电源、±12V开关电源、+15V开关电源、增量式编码器和电流检测环节，当三相永磁同步电动机运行时，数字信号处理器为核心的控制器从与三相永磁同步电动机相接的增量式轴角编码器获取速度反馈信号，数字信号处理器为核心的高动态协同控制器将速度反馈信号、电流反馈信号经过CLARK变换和PARK变换，将磁通和转矩动态解耦后，将得到的励磁电流分量和转矩电流分量输入到高动态协同控制器，高动态协同控制器输出的控制量经过IPARK变换得到坐标系下的控制量，生成6路SVPWM调制信号，经过驱动隔离环节输入到三相桥智能功率模块，触发相应的三相桥智能功率模块的功率器件导通来调节带LCL输出电力滤波器的三相永磁同步电动机的转速，由于LCL滤波器的引入，使得三相永磁同步电动机的绕组电流随转速变化产生幅值衰减和相位滞后，采用协同控制构造宏函数，如果同时可以保证引入控制量后的系统稳定，则系统必然可以使三相永磁同步电动机在额定电流驱动下，以最短时间沿流形高动态地快速收敛于平衡点，实现高动态速度控制和转矩调节。