异步电机直接转矩控制理论和技术的研究

发布时间：2016-12-16 19:04

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《山东大学》 2008年

异步电机直接转矩控制理论和技术的研究

孙振川  

【摘要】： 直接转矩控制技术在电力机车牵引、汽车工业以及家用电器等工业控制领域得到了广泛的应用。在运动控制系统中,直接转矩控制作为一种新型的交流调速技术,其控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、转矩响应迅速,正在运动控制领域中发挥着巨大的作用。虽然直接转矩控制的优势是矢量控制所不能实现的,但是直接转矩控制依然存在一系列不能忽视的问题。直接转矩控制采用两点式转矩和磁链滞环控制器,使转矩和磁链被控制在给定值的一定范围以内,这种控制方法不可避免地带来电机输出转矩脉动过大和逆变器开关频率不恒定等问题。直接转矩控制采用定子磁链定向,只用便于测量的定子电阻来估计定子磁链,这样在低速运行时会带来磁链估计的误差。虽然在全速范围内估计定子磁链运用低速时采用的电流-转速模型和高速时采用的电压-电流模型的合成模型,即电压-转速模型,然而两种模型的平滑切换又是一个新的问题。直接转矩控制在基频以下调速的理论和应用已经实现,在基频以上的弱磁调速范围内的理论和应用还需要进一步的研究。 为了解决这些问题,本文针对异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型,对传统直接转矩控制系统和两种改进的直接转矩控制系统进行了研究。在传统直接转矩控制系统中,详细讨论了定子磁链估计的三种基本模型,设计了定子磁链估计的加权模型,使电机在全速运行的范围内都能够得到准确的定子磁链。针对转矩脉动过大和逆变器开关频率不恒定的问题,本文设计了两种改进的直接转矩控制系统。在基于占空比控制的直接转矩控制系统中,通过对一个采样周期内非零电压矢量作用时间占采样周期的占空比的优化,解决了转矩脉动过大的问题;在一个采样周期内,从非零电压矢量到零电压矢量的转换只有一次,实现了开关频率的恒定。在基于滑模变结构的直接转矩控制系统中,本文设计了转矩和磁链滑模变结构控制器代替传统直接转矩控制系统中的转矩和磁链滞环控制器;运用空间矢量脉宽调制技术,实现了开关频率的恒定。本文把传统直接转矩控制系统和两种改进的直接转矩控制系统扩展到基频以上的弱磁范围内的异步电动机调速系统中,对其进行了相关研究。 为了验证上述各种控制系统的正确性和有效性,本文采用Matlab/Simulink仿真软件对其进行了仿真验证。针对传统直接转矩控制系统,对定子磁链估计的加权模型进行了仿真验证。仿真结果表明所设计的定子磁链的加权模型能够在电机运行的全速范围内准确地估计定子磁链。针对基于占空比控制的直接转矩控制系统和基于滑模变结构的直接转矩控制系统,本文分别对负载转矩有扰动和无扰动、给定转速为恒定值和不为恒定值四种情况进行了仿真验证,并分别和传统直接转矩控制系统的仿真结果进行了对比。仿真结果表明,两种改进的直接转矩控制系统均能有效的减小转矩脉动和转速的稳态误差。针对电机运行在基频以上的弱磁调速情形,本文运用三种不同的直接转矩控制方法分别进行了仿真验证。仿真结果表明,两种改进的直接转矩控制系统在弱磁调速范围内依然优于传统直接转矩控制系统,依然能够减小转矩脉动和转速的稳态误差。

【关键词】：
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TM343
【目录】：

摘要10-12

ABSTRACT12-14

第1章 绪论14-21

1.1 课题背景14-15

1.2 直接转矩控制的产生与概况15-16

1.3 课题的主要研究内容16-19

1.3.1 定子磁链的准确估计16-17

1.3.2 减小转矩脉动和保持开关频率恒定17-19

1.4 论文各章节的安排19-20

1.5 本章小结20-21

第2章 感应电动机直接转矩控制的基本原理21-56

2.1 异步电动机的数学模型21-29

2.1.1 异步电动机在任意速旋转坐标系下的数学模型22-23

2.1.2 异步电动机在两相静止坐标系下的数学模型23-25

2.1.3 异步电动机在两相同步坐标系下的数学模型25-26

2.1.4 仿真结果及分析26-29

2.2 直接转矩控制的基本原理29-34

2.3 定子磁链的估计模型34-40

2.3.1 定子磁链估计的u-i模型34

2.3.2 定子磁链估计的i-n模型34-35

2.3.3 定子磁链估计的u-n模型35

2.3.4 定子磁链估计的加权模型35-37

2.3.5 仿真结果及分析37-40

2.4 电压空间矢量的选择40-47

2.4.1 电压空间矢量的分类40-42

2.4.2 电压空间矢量对定子磁链的影响42-45

2.4.3 电压空间矢量对电磁转矩的影响45-47

2.5 直接转矩控制系统的仿真研究47-55

2.5.1 系统的总体构成47

2.5.2 仿真模型的建立47-54

2.5.3 仿真结果及分析54-55

2.6 本章小结55-56

第3章 基于占空比控制的异步电动机直接转矩控制56-69

3.1 传统直接转矩控制的主要缺点56-57

3.1.1 电磁转矩脉动过大56-57

3.1.2 逆变器开关频率不恒定57

3.2 占空比法原理分析57-58

3.2.1 占空比法减小转矩脉动的原理分析57-58

3.2.2 占空比法维持开关频率恒定的原理分析58

3.3 转矩变化斜率的计算58-62

3.3.1 转矩上升斜率的计算58-60

3.3.2 转矩下降斜率的计算60-62

3.4 仿真结果及分析62-68

3.5 本章小结68-69

第4章 基于滑模变结构的异步电动机直接转矩控制69-92

4.1 滑模变结构控制的基本概念69-77

4.1.1 滑动模态69-70

4.1.2 滑模变结构控制的基本问题70-71

4.1.3 滑模变结构控制的动态分析71-72

4.1.4 滑模变结构控制器的设计72-73

4.1.5 滑模变结构控制的抖振问题73-77

4.2 滑模变结构控制在异步电动机直接转矩控制中的应用77-81

4.2.1 滑模变结构控制器的设计77-80

4.2.2 滑模变结构控制器减小转矩脉动的原理分析80-81

4.3 空间矢量脉宽调制技术81-84

4.3.1 空间矢量脉宽调制技术的原理分析81-84

4.3.2 空间矢量脉宽调制技术维持开关频率恒定的原理分析84

4.4 仿真结果及分析84-90

4.5 三种直接转矩控制方法的对比分析90-91

4.5.1 传统异步电动机直接转矩控制的优缺点90

4.5.2 基于占空比控制的异步电动机直接转矩控制的优缺点90-91

4.5.3 基于滑模变结构的异步电动机直接转矩控制的优缺点91

4.6 本章小结91-92

第5章 直接转矩控制在弱磁情况下的应用92-99

5.1 异步电动机在弱磁情况下运行的原理分析92-94

5.1.1 基频以下调速92-93

5.1.2 基频以上调速93-94

5.2 传统直接转矩控制的仿真结果及分析94-95

5.3 基于占空比控制的直接转矩控制的仿真结果及分析95-97

5.4 基于滑模变结构的直接转矩控制的仿真结果及分析97-98

5.5 本章小结98-99

第6章 总结与展望99-101

附录101-102

参考文献102-107

致谢107-108

攻读硕士学位期间发表的论文108-109

学位论文评阅及答辩情况表109

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