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基于双级矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制研究

作　者: 刘见
导　师: 粟梅
学　校: 中南大学
专　业: 电气工程
关键词: 双级矩阵变换器永磁同步电机矢量控制频域设计法滑模控制
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

永磁同步电机具有体积小、重量轻、结构简单、运行可靠、维护保养方便、高效节能等优点,在电气传动领域获得了越来越广泛应用。双级矩阵变换器是矩阵变换器家族中的一员,它具备矩阵变换器输入输出电流波形质量好、输入功率因数可调、能量可以双向流动、不含大体积储能元件、结构紧凑等优点,同时相对于单级矩阵变换器,双级矩阵变换器控制策略、换流策略、箝位电路等更加简单,具有良好的应用前景。矢量控制技术的应用可以使永磁同步电机的调速性能接近直流电机的性能指标,成为现代传动系统的优选方案。本文将双级矩阵变换器应用于驱动永磁同步电机,采用矢量控制算法实现永磁同步电机的高性能转速控制。论文介绍了双级矩阵变换器的拓扑,设计了双级矩阵变换器的输入滤波器,详细分析了双级矩阵变换器的调制策略,并对双级矩阵变换器进行了仿真验证。文章还建立了永磁同步电机的数学模型,通过把双级矩阵变换器等效为一阶惯性环节,利用频域设计法设计了双级矩阵变换器驱动永磁同步电机系统在DQ轴上的电流PI控制器和转速P工控制器,为了改善转速及电流的动静态性能及抗负载扰动特性,本文设计了转速的滑模控制器,通过仿真验证了转速滑模控制器的转速控制性能及抗负载扰动能力强于PI控制器。论文还介绍了一种实用的永磁同步电机转子初始位置检测方法。在上述研究基础上搭建了基于DSP微处理器的系统样机,给出了样机系统的硬件原理图及程序模块框图和流程图,在样机上对设计的双级矩阵变换器驱动永磁同步电机矢量控制算法进行了实验,实验结果验证了控制算法的正确性,本文的工作为设计和开发调速性能高、网侧电能品质好的永磁同步电机电气传动系统奠定了坚实的基础。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-14
  1.1 研究背景及意义  8-9
    1.1.1 研究背景  8-9
    1.1.2 研究意义  9
  1.2 国内外研究现状  9-12
    1.2.1 矩阵变换器的研究现状  9-11
    1.2.2 永磁同步电机交流调速研究现状  11-12
    1.2.3 基于矩阵变换器的永磁同步电机控制研究现状  12
  1.3 本文主要的研究工作及章节安排  12-14
第二章双级矩阵变换器的基本知识  14-38
  2.1 双级矩阵变换器的主电路拓扑  14-17
    2.1.1 双向开关  14-15
    2.1.2 双级矩阵变换器拓扑  15-17
  2.2 双级矩阵变换器的控制策略  17-32
    2.2.1 整流级电流空间矢量调制  17-24
    2.2.2 逆变级电压空间矢量调制  24-30
    2.2.3 逆变级载波调制  30-32
  2.3 输入滤波器设计  32-33
  2.4 双级矩阵变换器仿真  33-36
    2.4.1 整流级电流空间矢量调制、逆变级电压空间矢量调制仿真  33-34
    2.4.2 整流级空间矢量、逆变级载波调制仿真  34-36
  2.5 本章小结  36-38
第三章基于双级矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制  38-58
  3.1 永磁同步电机的结构  38
  3.2 永磁同步电机的数学模型  38-42
    3.2.1 静止三相ABC坐标系下的数学模型  38-40
    3.2.2 旋转两相DQ坐标系下的数学模型  40
    3.2.3 DQ坐标系下的状态方程和输出方程  40-42
  3.3 永磁同步电机控制系统的坐标变换  42
  3.4 DQ坐标系下永磁同步电机控制系统设计  42-52
    3.4.1 矢量控制方法  42-43
    3.4.2 永磁同步电机矢量控制系统的结构  43
    3.4.3 电流PI控制器设计  43-47
    3.4.4 转速PI控制器设计  47-49
    3.4.5 系统的仿真与分析  49-52
  3.5 永磁同步电机转速的常规滑模控制  52-54
    3.5.1 滑模控制器设计  52-53
    3.5.2 系统的仿真与分析  53-54
  3.6 基于新型趋近律的转速滑模控制  54-55
    3.6.1 基于新型趋近律的转速滑模控制器设计  54
    3.6.2 稳定性分析  54
    3.6.3 系统仿真与分析  54-55
  3.7 永磁同步电机初始位置检测  55-57
  3.8 本章小结  57-58
第四章基于双级矩阵变换器的永磁同步电机系统实现  58-77
  4.1 基于双级矩阵变换器的永磁同步电机系统硬件  58-64
    4.1.1 控制电路  58-61
    4.1.2 电压电流检测电路  61
    4.1.3. 双级矩阵变换器主电路及相关电路  61-64
  4.2 双级矩阵变换器驱动永磁同步电机矢量控制系统软件设计  64-73
    4.2.1 TMS320F28335 DSP的C语言程序设计  65-71
    4.2.2 EP2C8T144C8N FPGA的VHDL程序设计  71-73
  4.3 上位机监控软件开发  73-76
    4.3.1 串口通信控件  74-75
    4.3.2 监控软件设计  75
    4.3.3 监控软件界面  75-76
  4.4 本章小结  76-77
第五章系统实验结果与总结  77-80
  5.1 实验环境  77
  5.2 实验结果及分析  77-78
  5.3 总结与展望  78-79
  5.4 本章小结  79-80
参考文献  80-84
致谢  84-85
攻读硕士期间主要的研究成果  85

基于双级矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制研究

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