永磁同步电机直接转矩控制系统的研究

论文摘要

由于永磁同步电机具有结构简单、效率高、功率因数高、体积小、易于散热及维护等一系列优良的特点,因此被广泛用于数码机床、机器人、航空、航天、加工中心等场合。在永磁同步电机(PMSM)的控制方法中,直接转矩控制(DTC)由于具有控制思想新颖、系统结构简明、动静态性能优良等特点而受到了普遍的关注,并且取得了迅速的发展,但仍然存在着磁链观测误差大、转矩脉动大等问题,因此,研究永磁同步电机的直接转矩控制系统有着非常重要的意义。围绕着PMSM DTC系统本文主要的研究内容如下：(1)本文首先建立了永磁同步电机的数学模型,详细介绍永磁同步电机在不同坐标系下的坐标变换与变换矩阵,并推导出了PMSM在不同坐标系下的数学模型,阐述了直接转矩控制的基本原理。(2)介绍了永磁同步电机直接转矩控制的整体框图和各个组成部分以及实现方式。其中包括磁链模型、转矩模型、磁链分区和开关表的确定,针对传统直接转矩控制定子磁链误差大、存在直流漂移等问题,着重介绍了四种不同的定子磁链积分器。(3)分别结合纯积分器、饱和反馈的改进积分器和幅值限定的改进积分器对直接转矩控制系统进行仿真,并对三种结果进行比较,随后针对幅值限定的改进积分器进行研究,在保持其他给定值不变的情况下改变电机转速,发现基于幅值限定的改进积分器的直接转矩控制系统的转速脉动很大,甚至不能正常工作,针对这一现象本文提出了一种根据永磁同步电机的状态方程来获取定子磁链幅值的方法,从而提高了系统的性能。(4)针对两电平逆变器的不足,本文最后提出了一种基于中点钳位式三电平逆变器的直接转矩控制系统,并对三电平逆变器的基本原理、拓扑结构、控制原理及控制策略进行了详细的分析,并针对三电平逆变器存在的问题,采用了一种固定合成矢量的控制方法,通过仿真研究,验证了基于中点钳位式三电平逆变器直接转矩控制较基于两电平逆变器的直接转矩控制有更好的性能。(5)最后对本文的工作进行了总结,并对今后的研究工作出了分析与展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 1 研究背景和意义
• 2 永磁同步电机的应用和发展前景
• 3 直接转矩控制的发展概况和特点
• 3.1 直接转矩控制的发展概况
• 3.2 直接转矩控制技术的特点
• 3.3 直接转矩控制系统中的常用电力电子功率变换器
• 4 永磁同步电机的直接转矩控制的主要研究领域
• 4.1 低速转矩脉动的抑制
• 4.2 定子磁链的观测技术
• 4.3 无速度传感器技术
• 5 课题研究的内容以希望达到的目标
• 本章小结
• 第一章 永磁同步电机的数学模型与直接转矩控制基本原理
• 1.1 永磁同步电机物理模型
• 1.2 永磁同步电机统一化动态数学模型
• 1.2.1 定子电压方程
• 1.2.2 定子磁链方程
• 1.2.3 电动机转矩方程
• 1.2.4 运动方程
• 1.3 永磁同步电机在不同坐标系中的简化模型
• 1.3.1 坐标变换与变换矩阵
• 1.3.2 永磁同步电机在两相定子坐标系中的模型
• 1.3.3 永磁同步电机在转子同步旋转坐标系中的模型
• 1.3.4 永磁同步电机在定子同步旋转坐标系中的模型
• 1.4 直接转矩控制的基本原理
• 本章小结
• 第二章 永磁同步电机直接转矩控制的系统研究
• 2.1 直接转矩控制系统的整体结构
• 2.1.1 两相定子坐标系下电流
• 2.1.2 两相定子坐标系下电压
• 2.1.3 磁链计算单元
• 2.1.4 转矩计算单元
• 2.2 电压矢量的应用
• 2.2.1 逆变器的工作原理
• 2.2.2 电压矢量的应用
• 2.3 定子磁链观测
• 2.3.1 纯积分器
• 2.3.2 一阶惯性滤波器
• 2.3.3 饱和反馈的改进积分器
• 2.3.4 幅值限定的改进积分器
• 2.3.5 自适应积分器
• 本章小结
• 第三章 永磁同步电机直接转矩控制系统的模型建立与仿真
• 3.1 MATLAB介绍
• 3.2 永磁同步电机直接转矩控制系统的模型建立与仿真
• 3.2.1 仿真模型建立
• 3.2.2 仿真结果与分析
• 3.3 一种基于幅值限定的改进积分器下的直接转矩控制的建模和仿真
• 3.3.1 幅值限定的改进积分器的仿真结果分析
• 3.3.3 改进后的仿真结果
• 本章小结
• 第四章 基于三电平逆变器的DTC系统
• 4.1 三电平逆变器
• 4.1.1 三电平逆变器的提出和工作原理
• 4.1.2 逆变器工作模式切换
• 4.1.3 逆变器输出电压波形
• 4.1.4 逆变器输出电压矢量
• 4.2 三电平逆变器存在的问题
• 4.2.1 电压跳变
• 4.2.2 中点电位平衡问题
• 4.2.3 开关频率和开关损耗
• 4.3 固定合成矢量
• 4.4 三电平DTC系统仿真
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢