高性能直接转矩控制系统的研究

论文摘要

直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后交流调速领域中新兴的控制技术,它采用空间矢量分析的方法,直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩。它采用定子磁场定向,借助于离散的两点式控制产生脉宽信号,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换,对电动机数学模型简化处理,具有动态反应迅速,结构简单,易于实现等优点。但是,直接转矩控制也存在着低速时转矩特性变差,稳态转矩脉动较大及带负载能力的下降等不足。本文在分析交流电动机数学模型的基础上,详细介绍了直接转矩控制技术的原理。针对直接转矩控制技术的不足,在传统直接转矩控制中应用模糊控制技术来改善系统性能。为方便在数字控制系统中使用此方法,本文通过离线计算得到一个模糊控制表,在仿真中运用查表运算进行开关状态的选择,实现模糊直接转矩控制;由于数字控制系统的滞后性,稳态输出的转矩波动往往超过所设定的容差。为此,本文提出了在模糊直接转矩控制中使用矢量细分技术,从而增加了可用电压空间矢量的数量,同时将定子磁链扇区进行细分,以优化电压空间矢量的选择。在MATLAB/SIMULINK软件中,综合运用模糊控制技术和矢量细分技术,搭建仿真模块,证明了算法的有效性。本文在采用DSP芯片TMS320LF2407A为核心的平台上进行了实验。实验结果显示,模糊直接转矩控制具有更快的转矩响应速度,良好的鲁棒性和动静态性能;矢量细分技术应用在模糊直接转矩控制中,能够在不增加系统采样频率的情况下降低转矩的波动,提高速度控制精度。在实际电机控制系统中,由于直接转矩控制算法简洁,控制直接,非常适合在数字控制系统中实现。因此,此控制方法具有良好的发展前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电机调速技术的发展前景
• 1.2 直接转矩控制技术的产生与特点
• 1.2.1 直接转矩控制技术的产生
• 1.2.2 直接转矩控制系统的特点
• 1.3 研究意义
• 1.4 直接转矩控制技术中存在的问题
• 1.5 直接转矩控制的新技术
• 1.6 本文的主要内容和工作
• 1.7 本章小结
• 第2章 直接转矩控制的基本原理和基本结构
• 2.1 异步电动机数学模型的建立
• 2.2 逆变器的电压状态
• 2.3 空间矢量的概念
• 2.4 坐标变换
• 2.5 直接转矩控制基本原理
• 2.5.1 磁链模型
• 2.5.2 磁链调节
• 2.5.3 转矩调节
• 2.5.4 电压开关状态选择
• 2.6 本章小结
• 第3章 模糊控制理论及模糊控制器的设计
• 3.1 模糊控制理论
• 3.1.1 模糊控制基本概念
• 3.1.2 模糊控制器的组成
• 3.1.3 模糊控制器的设计原则
• 3.1.4 模糊控制的特点
• 3.2 本文所用模糊控制器的设计
• 3.2.1 模糊变量
• 3.2.2 模糊规则
• 3.2.3 模糊推理与模糊决策
• 3.3 本章小结
• 第4章 空间电压矢量的合成
• 4.1 空间电压矢量对电机的影响
• 4.1.1 空间电压矢量对定子磁链的影响
• 4.1.2 空间电压矢量对电机转矩的影响
• 4.2 合成矢量的方法
• 4.2.1 空间矢量脉宽调制
• 4.2.2 占空比调制技术
• 4.2.3 三电平逆变器
• 4.3 本文所选的合成方法
• 4.4 本章小结
• 第5章 直接转矩控制系统的仿真研究
• 5.1 MATLAB 简介
• 5.2 动态仿真工具SIMULINK
• 5.3 改进的直接转矩控制系统仿真
• 5.3.1 仿真模型
• 5.3.2 仿真主要模块说明
• 5.3.3 仿真结果
• 5.4 传统直接转矩控制系统仿真
• 5.5 仿真分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 基于DSP 的系统软件设计与实现
• 6.1 TMS320LF2407A 简介
• 6.2 控制系统的结构
• 6.3 系统软件总体设计
• 6.3.1 主程序与中断程序
• 6.3.2 磁链幅值计算
• 6.3.3 转矩计算
• 6.3.4 模糊控制器的实现
• 6.3.5 矢量合成的实现
• 6.3.6 功率模块保护中断（PDPINT）服务程序
• 6.4 电机参数标幺化
• 6.5 实验波形与分析
• 6.6 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果