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低速大转矩永磁同步电机直接转矩控制研究

作　者: 陈永军
导　师: 黄声华；万山明
学　校: 华中科技大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 低速大转矩永磁同步电动机矢量控制直接转矩控制空间矢量调制卡尔曼滤波故障诊断容错运行无位置传感器仿真控制器
分类号: TM341
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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引　用: 9次
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内容摘要

作为数控机床、机器人、高性能电梯等的重要组成部分,随着加工制造、汽车等行业的发展,永磁交流伺服系统成为国内外研究和应用的一个重要领域。本文在低速大转矩永磁同步电动机的数学模型和控制理论进行全面、深入研究的基础上,对低速大转矩永磁同步电机的矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)、低速运行、逆变器故障诊断和容错运行、无位置传感器控制、大转矩负载仿真控制器等方面做了大量的理论和实验研究,并研制开发了一套数字永磁交流伺服系统。分析了永磁同步电机的结构和数学模型,选择了i_d=0按励磁磁场定向的矢量控制方法对驱动系统进行了研究。针对永磁同步电机常规直接转矩控制系统涉及到的问题,研究了其修正,以及改进的方法。定子电阻变化、直流母线电压漂移、开关器件反向相电压降、逆变器死区时间引起的电压误差的补偿,提高系统稳态运行性能等问题进行了探讨。针对永磁同步电机自身结构的特点,分析了永磁同步电机直接转矩控制系统在低速时产生转矩和转速脉动的原因,提出了相应的改进措施。根据永磁同步电机的数学模型,建立了直接转矩控制仿真模型,并在此模型基础上研究了零矢量对转矩和磁链的影响。研究了驱动器(即功率变换器)的“死区效应”对转矩和磁链的影响,从理论上阐明了“死区效应”的存在会使转矩下降,从而引起系统带载能力的下降,提出了“死区效应”电压补偿公式。系统控制精度很大程度上依赖于系统的低速性能,提高系统低速时的动静态性能对整个系统具有重大的意义。基于此,本文把扩展的卡尔曼滤波(EKF)技术应用于交流伺服系统的低速控制,完成系统初始磁极位置角的辨识以及低速下电机转速的估计。在上述工作的基础上,研制开发了一套基于TMS320F2407A的测速系统,并设计开发了基于Delphi7.0相应的上位机监控软件。小波变换是一种新型的时一频分析工具,在处理暂态非平稳信号以及对奇异信号具有提取故障特征的能力,采用db1,db5小波基函数对逆变器的断相故障信号进行了提取和消噪处理,通过仿真证明了所提出的方法,并对断相后的逆变器进行了重构。提出了一个以转子磁链矢量为基础的永磁同步电机直接转矩控制速度估计方法,该方法同样适合应用于模糊直接转矩控制和空间矢量调制直接转矩控制中。为得到完全的高性能无速度系统,采用了一个滤波器来平滑估计转子速度信号的噪音。这种方法除需要直接转矩控制系统中已有的传感器外无需额外添加传感器。同时因为计算量较小,该算法甚至可以在低速微处理器系统中实现。无速度传感器模糊永磁同步电机直接转矩控制系统的仿真结果验证了提出方法的正确可行。在对永磁同步电机直接转矩控制系统整体结构分析的基础上,给出了以TMS320F2812作为微控制器,实现该直接转矩控制系统的硬件和软件实现策略,并在此基础上对以DSP作为直接转矩控制器的设计方法,作了进一步的探讨。在提出和分析永磁同步电机负载特性动态模型的基础上,给出了电枢电流和励磁电流的控制原理框图,并结合可控条件,给出了线性转矩负载、风机泵类及推进器负载的模糊控制规则。同时给出了带死区的Bang-Bang-PI复合控制算法在恒转矩型负载电枢电流和励磁电流控制中的应用,并结合复合控制算法,用MATLAB进行了仿真,取得了令人满意的结果。最后通过系统调试和实验结果分析,表明负载仿真控制系统在模拟各种传动负载高性能的同时,较好地实现了各种复杂控制算法在控制系统中的运行,达到了预期目的。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
插图索引  10-13
表格索引  13-14
1 绪论  14-26
  1.1 课题背景及意义  14-17
  1.2 国内外研究现状及论文的研究方向  17-24
  1.3 本文主要研究内容及章节安排  24-26
2 低速大转矩永磁同步电机的直接转矩控制  26-48
  2.1 引言  26
  2.2 基于矢量控制的永磁同步电机研究  26-31
  2.3 永磁同步电机直接转矩控制理论  31-37
  2.4 永磁同步电机直接转矩控制中电压矢量的应用  37-44
  2.5 永磁同步电机直接转矩控制仿真  44-45
  2.6 直接转矩调速系统实验验证  45-47
  2.7 小结  47-48
3 永磁同步电动机低速运行分析  48-73
  3.1 引言  48
  3.2 转矩波动研究  48-51
  3.3 永磁同步电动机低速运行分析  51-54
  3.4 逆变器开关死区补偿方法的研究  54-61
  3.5 卡尔曼滤波器设计  61-64
  3.6 扩展卡尔曼滤波器在电机低速控制中的应用  64-67
  3.7 低速大转矩永磁同步电机测速系统的设计  67-71
  3.8 本章小结  71-73
4 低速大转矩永磁同步电动机逆变器的故障诊断与容错运行分析  73-94
  4.1 引言  73
  4.2 逆变器的故障模式及分析  73-74
  4.3 逆变器主电路故障诊断方法  74-76
  4.4 小波变换及其时频域局部化特征  76-80
  4.5 故障信号的奇异性检测及仿真结果  80-83
  4.6 逆变器容错系统的设计  83-88
  4.7 永磁同步电机相冗余仿真实验结论  88-93
  4.8 本章小结  93-94
5 系统硬件与软件  94-111
  5.1 引言  94
  5.2 DSP芯片选型及功能介绍  94-96
  5.3 系统硬件电路设计  96-106
  5.4 基于FPGA的单芯片交流伺服控制系统设计  106-109
  5.5 直接转矩控制系统的软件设计  109-110
  5.6 本章小结  110-111
6 低速大转矩永磁同步电机的无速度传感器运行分析  111-119
  6.1 引言  111
  6.2 无速度传感器交流电机驱动系统的简单介绍  111-113
  6.3 基于定子磁链矢量的无速度传感器控制  113-114
  6.4 基于转子磁链矢量角度的无速度传感器控制  114-115
  6.5 无速度传感器PMSM DTC系统  115-116
  6.6 无速度传感器PMSM模糊DTC系统的仿真研究  116-117
  6.7 本章小结  117-119
7 低速大转矩永磁同步电机负载仿真系统  119-134
  7.1 引言  119
  7.2 电机负载特性仿真系统动态模型  119-122
  7.3 电枢回路电流控制器的设计  122-128
  7.4 实验结果  128-133
  7.5 本章小结  133-134
8 全文总结  134-137
  8.1 本文的主要结论和创新点  134-136
  8.2 后续研究工作展望  136-137
致谢  137-138
参考文献  138-148
附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文  148-150
附录2 实验用永磁同步电动机参数  150-151
附录3 实验平台实物图  151

低速大转矩永磁同步电机直接转矩控制研究

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