永磁同步电机控制系统实验平台开发及滑模控制应用研究

论文摘要

直接转矩控制(DTC)具有结构简单、响应快速、鲁棒性强等优点。随着DTC控制策略在永磁同步电机(PMSM)上应用理论基础的解决以及PMSM的优越性能,PMSM DTC受到了越来越多的关注。本文在PMSM DTC的性能改善方面进行仿真和实验研究。文中介绍了永磁同步电机传统直接转矩控制,建立了基于MATLAB/Simulink的PMSM DTC仿真模型。在仿真研究基础上,开发了基于TMS320LF2407的永磁同步电机直接转矩控制全数字化实验平台,并且采用了智能功率模块(IPM)及霍尔电流、电压传感器,提高了系统的可靠性和采样精度。在以TMS320LF2407为核心的硬件基础上,采用汇编语言和C语言混合编程方法编写了完整的控制程序,实现了定子相电流等变量的采样、直接转矩控制算法、上下位机串行通讯等功能,设计了IPM驱动信号低有效情况下空间电压矢量选择表并加入零电压矢量。本文在搭建的实验平台上进行了闭环空载实验,验证了设计方案的可行性。该系统具有结构简单、转矩和转速动态响应快、鲁棒性较强等优点。但磁链和转矩脉动较大,逆变器开关频率不恒定,控制性能有待于进一步提高。滑模变结构控制(SMVSC)具有响应速度快、超调量小、控制精度高、鲁棒性强等优点,特别适合于永磁同步电机这种高阶、非线性、强耦合的多变量系统。鉴于传统DTC的转矩脉动较大,逆变器开关频率不恒定等缺点,本文将滑模变结构控制策略引入永磁同步电机直接转矩控制中,并且在上述实验平台的基础上实现了基于DSP的滑模变结构永磁同步电机直接转矩控制系统。仿真和实验结果表明,该控制系统具有定子磁链和电磁转矩脉动小,动态响应速度快,对参数摄动鲁棒性强等优点,并且逆变器开关频率恒定,控制性能较传统DTC有很大改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 永磁同步电机的发展
• 1.2 永磁同步电机变频调速技术的发展
• 1.3 直接转矩控制技术研究现状
• 1.4 电力电子器件和微处理器的发展
• 1.5 本课题的研究意义及主要内容
• 第二章 永磁同步电机直接转矩控制
• 2.1 永磁同步电机的数学模型
• 2.2 直接转矩控制基本原理
• 2.2.1 电压源型逆变器
• 2.2.2 直接转矩控制的基本原理及其实现
• 2.3 永磁同步电机直接转矩控制仿真研究
• 2.4 本章小结
• 第三章 控制系统硬件设计
• 3.1 控制系统硬件结构
• 3.2 TMS320LF2407 DSP控制器
• 3.3 控制系统主电路及功率驱动保护电路设计
• 3.4 信号采样电路的设计
• 3.4.1 电流检测电路设计
• 3.4.2 电压检测电路设计
• 3.4.3 转速检测电路设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 控制系统软件设计
• 4.1 DSP开发环境及实验平台编程特点
• 4.1.1 集成开发环境简介
• 4.1.2 C与汇编语言混合编程方法
• 4.1.3 Q格式及标么值系统的选取
• 4.2 软件的总体设计方案
• 4.4 应用程序设计
• 4.4.1 主程序设计
• 4.4.2 通讯及保护中断服务子程序设计
• 4.4.3 基本直接转矩控制中断服务子程序设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 滑模变结构在直接转矩控制中的应用研究
• 5.1 滑模变结构控制基本概念
• 5.1.1 滑模变结构控制的基本问题
• 5.1.2 滑模变结构控制的基本方法
• 5.1.3 滑模变结构控制的性质
• 5.2 滑模变结构磁链和转矩控制器设计
• 5.2.1 滑模面的选取
• 5.2.2 滑模变结构控制率
• 5.2.3 稳定性证明
• 5.2.4 抖动减小处理
• 5.3 基于滑模控制变量的参考电压矢量生成
• 5.4 PMSM SMVSC DTC仿真研究
• 5.5 滑模变结构直接转矩控制系统实验研究
• 5.6 实验结果分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢