城轨车辆用永磁同步电机控制系统研究
项目介绍
永磁同步电机以其高效率、高功率密度、强过载能力等优点受到轨道交通牵引系统研发人员的高度重视。德国、法国和日本等轨道交通装备制造强国纷纷开展永磁同步牵引系统的研制。法国ALSTOM开发了永磁牵引电机系统样机，应用在鹿特丹的 Citadis型低地板轻轨车辆；德国SIEMENS公司也开发和试制直接传动的永磁同步牵引电动机；庞巴迪装有永磁同步电机牵引系统的车辆已在瑞典Stockholm–Vasteras间运行；东芝针对地铁车辆开发了全封闭永磁同步牵引电机。国内，株洲南车时代电气股份有限公司从2003年开始了永磁同步牵引系统的基础研究工作，目前已经装备在沈阳地铁二号线上，运行上线。永磁同步电机控制系统的研究主要包括永磁同步电机弱磁控制方法研究、无速度传感器电机控制方法研究、永磁电机退磁现象和反电势问题，以及应用在大功率牵引系统中常见的低开关频率下延时问题、多模式PWM调制方法研究等。
项目委托方：中车青岛四方研究所
研究成员及研究任务
方晓春——统筹项目安排，主要研究弱磁控制方法研究及选择、永磁电机方案设计；
张新宇——低开关频率高采样频率下永磁同步电机延时补偿与解耦控制；
王晓帆——永磁同步电机弱磁控制研究，大功率实验平台软硬件搭建；
王婷婷——基于定子磁链观测的永磁同步电机矢量控制研究；
钟志宏——永磁同步电机抗饱和控制器研究；
柏欣欣——多模式PWM调制方式研究，包括SVPWM、中间60°PWM调制和SHEPWM调制等。
研究目标
按照城轨车辆牵引传动的要求，完成电机控制软件开发及地面试验平台的联调。
研究内容
针对城轨列车用永磁同步电机控制系统研究，本课题主要包括以下三个方面：
(1) 城轨车辆用永磁同步电机建模仿真及控制算法设计
研究内容包括：
n 永磁同步电机数学模型和控制系统理论分析，包括对不同的弱磁控制方法、PWM调制方式的比较分析；
n 搭建控制系统模型，恒转矩区采用最大转矩/电流比控制（MTPA）控制，恒功率区弱磁控制采用改进式负直轴电流补偿法，调制方式采用异步调制和同步调制相结合的多模式PWM调制，并与其他弱磁控制方法作仿真对比分析。
(2) 小功率实验平台控制算法验证
研究内容包括：
n 基于DSP28335的7.5kW小功率永磁同步电机平台搭建；
n 实现电机的基本矢量控制，包括控制算法设计、程序编写；
n 电机的全速域控制，包括最大转矩/电流比控制、弱磁控制方法及不同PWM调制方式的选择切换等。
(3) 城轨车辆用300kW大功率永磁同步电机控制研究
研究内容包括：
n 搭建300kW等级永磁同步电机实验平台，包括300kW等级永磁同步电机的方案设计等；
n 大功率平台的基本矢量控制，包括低开关频率下的延时补偿等；
n 大功率平台全速域控制实验，包括弱磁控制实验和PWM调制实验；
n 平台联调，完成空载/带载启动、牵引特性试验、制动特性试验、不同转速下牵引/制动、切除/投入试验、网压波动试验等试验内容。
目前研究进展
- 完成城轨车辆用永磁同步电机数学模型和控制策略的理论分析；
- 完成城轨车辆用300kW永磁同步电机的设计；
- 完成弱磁控制方法和PWM调制方式的选择；
- 完成7.5kW小功率实验平台的搭建；
- 完成小功率实验平台的基本矢量控制；
- 完成城轨车辆用300kW永磁同步电机实验平台搭建与调试；