基于DSP的异步电机三电平逆变器矢量控制研究

论文摘要

矢量控制技术是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的,它是异步电机的理想的调速方法。异步电机结构简单、坚固耐用、运行可靠、成本低、环境适应性强,容易向高压高速和大容量方向发展,因而获得了广泛应用;三电平逆变器能降低功率器件耐压要求,降低谐波含量,有利于实现输出电压的正弦化,适合向高压大容量方向发展。本文针对三电平逆变器供电的异步电机调速系统的矢量控制技术进行了一些研究和探索,并用DSP来实现控制系统的全数字化设计。本文首先介绍了异步电动机的数学模型与介绍了矢量控制的基本原理。然后对三电平逆变器的拓扑结构、工作原理以及它的电路方程进行了深入的分析,并建立了三电平逆变器的数学模型,探讨了空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)控制技术。在此基础上充分利用MATLAB/SIMULINK的强大功能,建立了基于三电平逆变器的异步电机矢量控制系统的仿真模型,结构清晰,易于理解。通过仿真验证,逆变器输出电压波形正确,电机的动、静态性能良好,调速性能优越。本文最后,对系统的硬件和软件进行了设计,三电平逆变器主电路采用二极管箝位式拓扑结构,主控制器采用TI公司的TMS320LF2407DSP,完成了大部分软件的编写,设计了相关的外围电路和电源电路,并在硬件实验样机上对系统进行了初步的调试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 交流调速技术的发展和现状
• 1.3 多电平逆变器技术的发展及现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 异步电机的数学模型及矢量控制原理
• 2.1 矢量坐标变换及变换矩阵
• 2.1.1 Clarke 变换及其反变换
• 2.1.2 Park 变换及其反变换
• 2.2 异步电机在不同坐标系上的数学模型
• 2.2.1 异步电机在三相静止坐标系上的数学模型
• 2.2.2 异步电机在二相静止坐标系上的数学模型
• 2.2.3 异步电机在二相同步旋转坐标系上的数学模型
• 2.3 异步电机矢量控制的基本结构
• 2.3.1 异步电机矢量控制理论产生的原因
• 2.3.2 异步电机矢量控制基本思路
• 2.3.3 转子磁场定向矢量控制原理
• 2.4 异步电机矢量控制中磁链观测器
• 2.4.1 电压模型法
• 2.4.2 电流模型法
• 2.4.3 电流模型与电压模型结合观测法
• 3 三电平逆变器及SVPWM 控制技术
• 3.1 三电平逆变器系统分析
• 3.1.1 三电平逆变器的基本拓扑结构及原理
• 3.1.2 三电平逆变器的数学模型
• 3.2 三电平逆变器空间矢量（SVPWM）控制策略
• 3.3 三电平逆变器中点电位不平衡及控制策略
• 3.3.1 三电平逆变器中点电位波动产生的影响
• 3.3.2 三电平逆变器中点电位波动产生的原因
• 3.3.3 三电平逆变器中点电位波动的控制策略
• 3.4 建模仿真
• 3.4.1 MATLAB 仿真思路与模型搭建
• 3.4.2 各部分的仿真模块
• 3.4.3 仿真结果
• 4 基于三电平逆变器的异步电机矢量控制建模仿真
• 4.1 引言
• 4.2 仿真建模
• 4.2.1 三电平SVPWM 逆变器模块
• 4.2.2 异步电机模块
• 4.2.3 3s /2s 的坐标变换模块与 2s /3s 的坐标变换模块
• 4.2.4 转速、转矩和励磁电流的PI 调节器模块
• 4.3 系统的仿真与结果
• 4.3.1 基于三电平逆变器的异步电机开环V/F 控制系统仿真
• 4.3.2 三电平异步电机矢量控制系统仿真
• 5 DSP 数字控制系统的设计
• 5.1 DSP 芯片简介
• 5.1.1 电机控制专用DSP 芯片TMS320LF2407 的特点
• 5.1.2 中央处理单元（CPU）
• 5.1.3 程序控制
• 5.1.4 事件管理器模块
• 5.1.5 模数转换模块ADC
• 5.2 系统的硬件设计
• 5.2.1 主电路设计
• 5.2.2 检测电路设计
• 5.2.3 驱动电路设计
• 5.2.4 辅助电源设计
• 5.3 系统软件设计
• 5.4 实验与结果
• 6 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录