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现代交流调速系统中的磁链观测与SVPWM技术研究

作　者: 邢绍邦
导　师: 赵克友
学　校: 青岛大学
专　业: 系统理论
关键词: 感应电机磁场定向控制直接转矩控制磁链观测 SVPWM 性能改善
分类号: TM921.51
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

电机是完成机电能量转换的装置，既可作为动力源，又可作为执行器使用。当今社会无论生产领域，还是消费领域都离不开电机。由于直流电机的控制性能很好，因此最早的电气拖动多是由它承担，但因其结构复杂，制造成本与维护费用高，再加之非本质防爆等因素，限制了其拓宽应用。相比之下交流电机具有结构简单、制造成本与维护费用低、可用于恶劣环境(尤其是须防爆场合)等优点，诞生不久便得到认可和广泛应用。遗憾的是交流电机控制性能大不如直流电机，以至于半个世纪前调速系统几乎是直流电机一统天下。能源危机，再加上控制理论、高速开关器件及微处理器技术的发展加速了交流调速系统的发展，在调速系统更新换代的今天，大有取代直流系统之势。加强对以交流电机为核心交流调速系统的研究，使之具备或有着超过直流系统所具有的高性能(宽调速范围、随动性和高效率等)，这是极富挑战性、且也是极具实际意义的课题。以感应电机为对象的现代交流调速系统中，磁场定向控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)是当今两大主流控制策略，无一例外的用到电机的动态模型、电机定子或转子的磁链估值和通过功率器件的开关去实现PWM电压供电给电机。论文主要内容正是围绕上述三方面展开的，即：(ⅰ)建立感应电机的动态仿真平台；(ⅱ)探讨不同运行情况下的磁链估计计算(观测)；(ⅲ)研究实现空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)的逆变器开关算法，以保证电压利用率高、最少开关数和对称性等要求。工程对象的研究结论须加以实验验证，至少是仿真实验，这也是论文内容的重要方面。研究成果分别发表在《电机技术》、《2006中国控制与决策学术年会论文集》、《Proceedings of The 2nd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications(ICIEA 2007，EI检索源)》及《微特电机(中文核心)》等刊物上。论文各章节主要内容如下：在对交流调速技术的现状与发展给以概述后，论文的第二章依据感应电动机的动态数学模型，采用模块化的方法建立其仿真模型；在此基础上，分别建立了感应电机矢量控制和直接转矩控制系统仿真平台，并进行了验证性实验。论文第三章在目前几种主要磁链观测器的基础上，提出了一种混合切换式的磁链观测方法，讨论了磁链模型之间的切换问题，并将其分别用于矢量控制和直接转矩控制中。论文第四章重点探讨了SVPWM(空间电压矢量脉冲宽度调制)技术，在传统SVPWM技术的原理与算法基础上，提出了改进算法，并将其用于矢量控制系统。利用本文所建立的感应电动机矢量控制和直接转矩控制系统仿真平台，论文第五章对本文第三、四两章的工作分别进行了仿真实验，以验证它们的正确性。

全文目录

摘要  2-4
Abstract (英文摘要)  4-6
主要术语、符号与缩略语  6-8
目录  8-11
第一章绪论  11-17
  1.1 课题背景  11
  1.2 国内外交流调速技术的现状与发展  11-14
  1.3 本课题的研究目的与意义  14
  1.4 本课题的研究内容  14-17
第二章感应电机控制系统建模与仿真  17-35
  2.1 感应电机建模与仿真  18-26
    2.1.1 三相静止坐标系下感应电机数学模型  18-19
    2.1.2 坐标变换及其仿真模型  19-21
    2.1.3 向坐标系下电机的数学动态描述及结构框图  21-23
    2.1.4 仿真建模与实验  23-26
  2.2 感应电机矢量控制原理与系统仿真  26-29
    2.2.1 矢量控制系统原理  26-27
    2.2.2 系统仿真实验  27-29
  2.3 感应电机直接转矩控制原理与系统仿真  29-31
    2.3.1 直接转矩控制原理  29-30
    2.3.2 系统仿真实验  30-31
  2.4 交流调速系统中的磁链观测与SVPWM技术  31-33
  2.5 本章小结  33-35
第三章磁链观测器  35-49
  3.1 常见的磁链观测器  35-39
    3.1.1 电压模型  36
    3.1.2 电流模型  36-37
    3.1.3 改进的电压模型  37-38
    3.1.4 旋转坐标系下转子磁链观测器模型  38-39
  3.2 混合切换式磁链观测器  39-44
    3.2.1 转子磁链观测器  39-41
    3.2.2 定子磁链观测器  41-44
  3.3 磁链模型的切换分析  44-47
  3.4 基于混合磁链模型的感应电机速度控制系统  47-48
    3.4.1 矢量控制系统  47
    3.4.2 直接转矩控制系统  47-48
  3.5 本章小结  48-49
第四章空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术  49-67
  4.1 变频器及PWM技术概述  49-56
    4.1.1 变频器的结构与分类  50-52
    4.1.2 PWM技术的发展现状  52-54
    4.1.3 SPWM与SVPWM的比较  54-56
  4.2 SVPWM的原理及其传统算法  56-58
  4.3 SVPWM的算法改进与仿真分析  58-63
    4.3.1 相邻矢量作用时间的改进算法  58-60
    4.3.2 扇区判断与开关时刻表  60-62
    4.3.3 SVPWM仿真分析  62-63
  4.4 采用SVPWM的感应电机矢量控制系统  63-66
  4.5 本章小结  66-67
第五章系统仿真实验与分析  67-75
  5.1 基于混合磁链模型矢量控制系统仿真  67-69
  5.2 基于混合磁链模型直接转矩控制系统仿真  69-71
  5.3 采用SVPWM的矢量控制系统仿真  71-73
  5.4 本章小结  73-75
第六章结论  75-77
  6.1 研究工作总结  75
  6.2 结语与展望  75-77
参考文献  77-81
致谢  81-83
本人简历  83
攻读硕士学位期间发表及完成的学术论文  83
在学期间参加的研究项目  83-85

现代交流调速系统中的磁链观测与SVPWM技术研究

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