基于矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制系统

论文摘要

永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、运行可靠等优点,在国防、工业、航空、舰船等领域获得了越来越广泛的应用。矢量控制技术的发展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。交—交矩阵变换器可以实现输入电流波形的正弦化,输入功率因数可以调节,没有大体积的直流电容环节,在交流传动系统中具有良好的应用前景。采用矩阵变换器供电实现永磁同步电机的矢量控制是交流传动系统的一种优化组合,已引起国内外学者的关注。本文将交—交矩阵变换器与永磁同步电机矢量控制技术相结合,研究基于电流滞环控制策略和双空间矢量调制策略的矩阵变换器—永磁同步电机（MC-PMSM）矢量控制系统。文章对基于两种控制策略的MC-PMSM系统的矢量控制实现方法、输入电流波形、系统的调速性能等进行了一系列的理论分析与仿真研究;设计制作了以数字信号处理器（DSP）和复杂可编程逻辑控制器（CPLD）为控制单元的数字化MC-PMSM矢量控制系统原理样机,并进行了实验分析。论文的主要工作有:详细分析了基于电流滞环控制策略和双空间矢量调制策略的MC-PMSM矢量控制系统中矩阵变换器的各种开关状态组合,为控制系统设计提供了依据。针对电流滞环控制策略,推导出MC-PMSM系统滞环电流宽度选取的经验公式,采用计算与仿真分析相结合的方法选取合理的电流环宽,使系统具有良好的输出电流波形和速度跟踪性能。分析了基于电流滞环控制的MC-PMSM系统的缺点:系统电源侧电流存在较大的5次和7次谐波分量,提出了改进的电流滞环控制策略—输出电流双滞环控制,它将一个周期内的三相输入电压分为12个相区,然后根据双环电流控制信号选择使用不同的输入相,确定出矩阵变换器开关管的通断状态。该方法使输入相在整个周期内均参与调制,降低了系统输入电流谐波分量,提高了输入电流的正弦度。针对双空间矢量调制策略,给出了MC-PMSM矢量控制系统中电压矢量幅值、电压矢量角等量的实时计算方法。详细分析了基于该控制策略的电机共模电压大小,提出了合理选用零矢量以降低电机共模电压幅值的方法。并得出为了尽量减少开关次数,零矢量、输入电流矢量和输出电压矢量放置顺序应该遵循的原则。最后,本文设计并实现了以DSP和CPLD为控制单元的MC-PMSM矢量控制系统平台,利用该平台验证了本文方法的可行性和正确性,并为进一步研究提供了可靠的实验条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外概况及发展趋势
• 1.2.1 永磁同步电机调速系统的发展概况
• 1.2.2 矩阵变换器的发展概况
• 1.2.3 矩阵变换器在交流电机控制系统中的应用现状
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 矩阵变换器供电永磁同步电机矢量控制基本原理
• 2.1 永磁同步电机矢量控制原理
• 2.1.1 矢量控制中的坐标变换
• 2.1.2 永磁同步电机矢量控制
• 2.2 矩阵变换器的拓扑结构与工作原理
• 2.2.1 矩阵变换器的开关组合
• 2.2.2 矩阵变换器的占空比矩阵
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于电流滞环控制的矩阵变换器—永磁同步电机矢量控制系统
• 3.1 基于电流滞环控制的MC 开关状态的确定
• 3.1.1 三相电机电流滞环状态比较
• 3.1.2 三相输入电压状态
• 3.1.3 MC 的开关状态组合
• 3.2 电流滞环控制MC-PMSM 系统的建模与仿真
• 3.2.1 仿真模型
• 3.2.2 系统运行仿真
• 3.2.3 输入侧电流仿真分析
• 3.3 电流滞环宽度的确定
• 3.4 电流滞环控制MC-PMSM 系统的实验分析
• 3.5 MC-PMSM 系统电流滞环控制策略的改进
• 3.5.1 改进策略的原理
• 3.5.2 改进策略的仿真验证
• 3.5.3 改进策略的实验结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于双空间矢量调制的矩阵变换器—永磁同步电机矢量控制系统
• 4.1 矩阵变换器的双空间矢量调制
• 4.1.1 输出电压空间矢量的调制
• 4.1.2 输入电流空间矢量的调制
• 4.1.3 双空间矢量调制
• 4.2 双空间矢量调制MC-PMSM 系统
• 4.2.1 系统构成
• 4.2.2 电流补偿环节
• 4.2.3 电压调制比、电压矢量角、电压矢量相区的确定
• 4.2.4 电流相区、电流矢量角的确定
• 4.3 双空间矢量调制MC-PMSM 系统的仿真分析
• 4.3.1 仿真模型
• 4.3.2 系统仿真分析
• 4.4 双空间矢量调制MC-PMSM 的实验分析
• 4.5 不同控制策略的比较
• 4.5.1 系统输入电流的比较
• 4.5.2 系统电机电流的比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于双空间矢量调制的MC-PMSM 矢量控制系统的共模电压抑制
• 5.1 MC-PMSM 系统的共模电压
• 5.2 双空间矢量调制MC-PMSM 系统零矢量的选择与共模电压抑制
• 5.2.1 电机共模电压的大小
• 5.2.2 零矢量的选择
• 5.2.3 零矢量的选择与开关次数的关系
• 5.3 双空间矢量调制MC-PMSM 系统的共模电压仿真与实验分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 矩阵变换器—永磁同步电机矢量控制系统的实现
• 6.1 MC-PMSM 系统构成
• 6.2 主功率电路与驱动电路
• 6.2.1 双向开关的拓扑结构
• 6.2.2 功率器件及缓冲电路
• 6.2.3 驱动电路
• 6.3 过压吸收与泄放电路
• 6.4 电流测量和保护电路
• 6.4.1 电流测量调理电路
• 6.4.2 过载/短路保护电路
• 6.5 输入滤波器
• 6.6 矩阵变换器的控制电路
• 6.6.1 DSP 外围电路
• 6.6.2 CPLD 译码电路
• 6.6.3 输入相区/输入电压状态检测电路
• 6.6.4 控制信号延时电路
• 6.7 基于电流滞环控制的MC-PMSM 系统控制软件
• 6.7.1 DSP 软件主程序
• 6.7.2 DSP 软件中断程序
• 6.7.3 CPLD 软件的设计
• 6.8 基于空间矢量调制的MC-PMSM 系统控制软件
• 6.9 本章小结
• 第七章 工作总结和展望
• 7.1 本文的主要工作和创新点
• 7.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文