11、铁路应用中内置式永磁同步电机的经典与预测控制

铁路应用中内置式永磁同步电机的经典与预测控制

1. 引言

“铁路”最完整的定义是“用于客运和货运的有轨和无轨运输系统”。在现代交通运输系统中，交流驱动的四个主要组成部分包括功率转换器、永磁交流电机（PMAM）、传感器和控制算法。目前，永磁同步电机（PMSM）在铁路牵引行业（如火车、电车、机车等）得到了广泛应用。与其他驱动方式相比，PMSM具有效率高、尺寸小、电气损耗低、功率密度大、转矩脉动小、弱磁性能好以及转矩 - 速度特性平稳等优势，非常适合用于牵引驱动。

基本的牵引驱动系统主要由以下部分组成：
- 电动机：产生旋转运动。
- 电力电子转换器：从特定能源获取能量，为电动机供电，实现电动机的可控旋转运动。
- 控制算法：负责控制电力电子转换器，以实现电动机的期望性能。
- 能源：在某些情况下是电驱动的一部分，在其他情况下被视为外部元素。

2. 内置式永磁同步电机的数学建模

2.1 PMSM 简介

同步交流电机在稳态情况下，转子的电气转速等于定子电流的频率。一般来说，同步电机在性能上优于感应电机，但成本较高，且由于转子设计更复杂，其鲁棒性较差。同步电机有多种类型，如绕线式（WFSM）、同步磁阻式（SyRM）和永磁式（PM）等，永磁式又有轴向、横向、径向、内置、表面、梯形（无刷直流，BLDC）和正弦形等不同结构。

PMSM 的转子采用永磁体，与传统电机不同。高速应用中，永磁体通常安装在内部；为获得最大功率密度，永磁体则安装在表面。内置式永磁同步电机（IPMSM）中，转子中的永磁体产生转子磁通，d 轴存在较大气隙，q 轴主要由铁构成，因此 d 轴磁导率远低于 q 轴（即 Lds