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驱动空调压缩机的永磁同步电动机的控制技术研究

作　者: 储剑波
导　师: 胡育文
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 永磁同步电动机压缩机滑模控制空间电压矢量直接功率控制速度脉动速度环重复控制相电流重构
分类号: TM341
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

永磁同步电动机因其具有结构简单、易维护、运行效率高、调速性能好等优点而在中小功率驱动场合得到了广泛应用。随着近年来对空调系统性能、能效比的要求越来越高,空调系统中驱动压缩机的传统的异步电机已逐步被永磁同步电动机所取代。本文紧紧围绕着驱动空调压缩机的永磁同步电动机这个研究对象展开,针对压缩机的负载特性和节能的目的进行了一些新型控制策略的研究和探索。本文首先描述了静止三相、静止两相与旋转两相坐标系下的永磁同步电动机的数学模型,在此基础上主要分析与探讨了永磁同步电动机矢量控制的原理及其应用较多的SVPWM调制方法,然后简单介绍了直接转矩控制原理。并选择id=0的转子磁场定向的速度和电流双闭环控制方案作为驱动压缩机的永磁同步电动机的一种控制策略。由于空调压缩机内部运行环境十分恶劣,传统的机械式位置传感器已经不能使用,本文利用滑模观测器对永磁同步电机的转子位置和转速进行了实时在线的估算。对滑模观测器的原理做了深入的研究和分析,在α-β坐标系下建立了滑模观测器的状态方程。针对算法中出现的抖振现象以及转速计算精度不高的问题,采用了以近似饱和函数取代开关函数以及锁相环代替直接微分计算转速的改进方法。为了降低空调系统中驱动压缩机的永磁同步电动机的能量消耗,本文在驱动压缩机的永磁同步电动机的控制中使用了基于瞬时功率开关表进行直接功率控制的新策略。该策略根据定子磁链所在扇区、瞬时有功功率和瞬时无功功率的两个滞环输出,查询瞬时功率开关表选取合适的空间电压矢量进行输出,从而对瞬时功率进行直接控制达到调速的目的。实验结果表明,该策略可以将无功功率控制在零附近,提高电机的功率因数。在永磁同步电机驱动的单转子压缩机变频空调系统中,呈周期性波动的负载转矩使得永磁同步电机的转速产生同周期的脉动。在低速运行时,速度脉动引起的整个空调系统框架的振动、高噪声等现象尤其明显,同时降低了系统的效率。本文在分析了这类周期性负载扰动对系统速度稳定度的影响的基础上,基于重复控制原理的动态补偿方法提出了在永磁同步电机速度控制环上采用一种重复控制和PI控制相结合的复合控制方案,以抑制周期性负载扰动引起的转速脉动。该方案在稳态时采用重复控制加PI控制以获得较好的稳态性能,而在动态过程中以PI控制作用为主来获得良好的动态响应。仿真和实验结果证明了该控制方案的可行性、正确性并具有很强的工程实用意义。在电动机控制中,三相电流采样是一个核心环节。为了降低变频空调控制器成本、减少其体积,提高效率,本文根据相电流、直流母线电流及逆变器开关状态之间的关系,给出了一种基于单电阻采样直流母线电流的方式进行电机相电流重构的方案。该方案通过空间电压矢量移相的方法解决了三相电流重构的难点。仿真和实验结果表明该方法的有效性和正确性。借助于Matlab软件和全数字控制硬件平台,对上述的理论和策略进行了仿真和实验验证。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
图清单  12-15
表清单  15-16
注释表  16-18
第一章绪论  18-34
  1.1 课题研究的背景与意义  18-20
  1.2 永磁电动机简介  20-23
    1.2.1 永磁电动机结构分类  20-21
    1.2.2 驱动空调压缩机的永磁电机性能对比  21-23
  1.3 永磁同步电机控制理论的发展和研究状况  23-31
    1.3.1 矢量控制技术  23-24
    1.3.2 直接转矩控制  24-26
    1.3.3 现代控制理论及其相关控制策略  26-31
  1.4 驱动空调压缩机的永磁同步电动机的控制技术难点和负载特点分析  31-32
  1.5 本论文的主要研究内容  32-34
第二章永磁同步电动机的数学模型及其控制  34-45
  2.1 引言  34
  2.2 永磁同步电动机的简化数学模型  34-38
    2.2.1 三相静止坐标系下的数学模型  36
    2.2.2 两相旋转坐标下的数学模型  36-37
    2.2.3 两相静止坐标系下的数学模型  37-38
  2.3 永磁同步电动机的矢量控制  38-43
    2.3.1 永磁同步电动机矢量控制方法  38-39
    2.3.2 SVPWM 调制方法  39-43
    2.3.3 永磁同步电动机无位置传感器矢量控制方案  43
  2.4 永磁同步电动机的直接转矩控制  43-44
  2.5 小结  44-45
第三章驱动压缩机的永磁同步电动机的无位置传感器技术  45-68
  3.1 引言  45
  3.2 滑模变结构控制  45-50
    3.2.1 滑模控制的基本原理  46-47
    3.2.2 滑模变结构控制的三个基本条件  47-48
    3.2.3 滑模变结构控制系统的动态品质  48-49
    3.2.4 滑模变结构的控制器的设计  49-50
  3.3 基于滑模观测器的永磁同步电动机无传感器控制  50-54
    3.3.1 内埋式永磁同步电机的滑模观测器设计  51-53
    3.3.2 滑模观测器的数字化实现  53-54
  3.4 滑模观测器设计的改进措施  54-57
    3.4.1 抖振及其抑制  54-55
    3.4.2 数字低通滤波器设计的改进  55-56
    3.4.3 计算转子角速度方法的改进  56-57
  3.5 仿真和实验  57-67
    3.5.1 负载分析  57-59
    3.5.2 普通滑模观测器仿真及分析  59-63
    3.5.3 改进型滑模观测器仿真及分析  63-66
    3.5.4 滑模观测器实验结果分析  66-67
  3.6 本章小结  67-68
第四章驱动压缩机的永磁同步电动机的直接功率控制  68-82
  4.1 概述  68-70
    4.1.1 直接功率控制理论基础  68-69
    4.1.2 在三相静止坐标中瞬时功率的计算  69
    4.1.3 在两相静止坐标中的瞬时功率的计算  69-70
  4.2 永磁同步电动机的直接功率控制的原理分析  70-73
  4.3 永磁同步电动机的直接功率控制策略  73-76
    4.3.1 瞬时功率计算  73-74
    4.3.2 功率滞环  74-75
    4.3.3 优化开关表  75-76
  4.4 永磁同步电动机的直接功率控制仿真和实验  76-81
  4.5 本章小结  81-82
第五章驱动压缩机的永磁同步电动机的重复控制  82-96
  5.1 引言  82
  5.2 控制方案分析  82-83
  5.3 重复控制策略  83-86
    5.3.1 重复控制内模模型  83-85
    5.3.2 改进的重复控制内模  85-86
  5.4 复合控制方案设计  86-88
  5.5 重复控制器设计  88-92
    5.5.1 重复控制器稳定性分析  90
    5.5.2 重复控制器收敛性分析  90-91
    5.5.3 重复控制器稳态误差分析  91-92
  5.6 驱动空调压缩机的永磁同步电动机复合控制的仿真和实验结果  92-95
  5.7 本章小结  95-96
第六章驱动压缩机的永磁同步电动机控制系统设计  96-119
  6.1 引言  96
  6.2 永磁同步电动机驱动系统的硬件设计  96-103
    6.2.1 TMS320F2812 简介及其最小系统板  96-100
    6.2.2 主功率电路  100-101
    6.2.3 信号采样电路  101-102
    6.2.4 信号调理电路  102
    6.2.5 保护电路  102-103
    6.2.6 复杂可编程逻辑器件CPLD 电路  103
  6.3 相电流采样重构技术  103-115
    6.3.1 基于直流母线的单电阻电流重构技术原理分析  104-105
    6.3.2 单电阻采样电流重构技术难点分析  105-106
    6.3.3 相电流重构解决措施  106-112
    6.3.4 相电流重构技术仿真和实验验证  112-115
  6.4 永磁同步电动机驱动系统的软件设计  115-118
    6.4.1 滑模观测器的软件设计  115-116
    6.4.2 直接功率控制的软件设计  116-117
    6.4.3 复合控制的软件设计  117-118
  6.5 本章小结  118-119
第七章全文总结与展望  119-121
  7.1 本文的主要工作与创新点  119-120
  7.2 后续工作展望  120-121
参考文献  121-131
致谢  131-132
在学期间的研究成果及发表的学术论文  132-134
附录  134-135

驱动空调压缩机的永磁同步电动机的控制技术研究

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