同步电机的变频控制

论文摘要

自上世纪80年代以来,随着电力电子技术的迅猛发展和永磁材料性价比的不断提高,永磁同步电机调速系统成为了交流电机调速系统的一个新的发展方向。永磁同步电机凭借其结构简单、运行可靠、损耗小和效率高等优点,越来越多地应用在各种工业场合。因此,研究适用于工业生产要求的永磁同步电机控制技术具有重要的意义。本课题是东华大学和三垦力达电气(江阴)有限公司合作的课题,主要研究内容是永磁同步电机的控制策略研究和控制方法的实现。系统以TI公司的TMS320F2812数字信号处理器作为控制核心,搭建了实验平台以及在CCS的开发环境下编写程序代码实现其控制算法。首先,对永磁同步电机的控制策略进行分析和研究,主要包括同步电机的V/F控制算法、有速度传感器矢量控制、及无速度传感器的矢量控制方法。介绍了永磁同步电机控制技术的研究现状与研究意义。在分析了永磁同步电机的结构与分类的基础上,建立了在不同坐标系下的数学模型。针对电机转子初始磁极位置的不确定性,重点分析了转子初始位置定位的方法。调制波主要采用三次谐波注入PWM和电压空间矢量SVPWM,并详细阐述了其原理与实现方法。本文矢量控制策略采用直轴电流为零的磁场定向控制方法,设计了永磁同步电机矢量控制的双闭环结构,针对实际应用中PI调节器积分易饱和问题,设计了防积分饱和的PI调节器。在无传感器检测速度的情况下,设计了反电动势积分法和直接计算法相结合的速度辨识方案,可以实现全速范围内速度的辨识。由于电机出厂时的铭牌数据有限,在设计调节器的时候需要知道电机的相关参数,为此对永磁同步电机的参数采取了离线辨识的检测方法。其次,建立了基于MATLAB/SIMULINK的控制系统仿真模型。针对不同的控制方式进行仿真分析。分别对电机的启动性能、带载性能和负载突变时的性能进行了仿真研究。分析了三次谐波注入PWM和电压空间矢量SVPWM的优越性和可靠性。仿真结果表明,所采用的控制方法的可行性,且保证了系统的静态性能和动态性能。最后,设计了控制系统的软、硬件结构。硬件部分包括主回路、控制电路、检测电路和保护电路。控制部分以DSP芯片TMS320F2812为核心,用于完成永磁同步电机变频调速系统的控制器的算法实现,PWM波的产生等。在硬件的基础上,软件部分主要在CCS3.1的开发环境下使用C语言完成控制算法。主要以中断调用作为控制功能实现,给出了系统主程序,V/F控制子程序和电机矢量控制程序的主要流程图。最后,在搭建的实验平台上对电机进行了测试。实验结果验证了系统控制方案的可行性及正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 永磁同步电机控制技术的发展
• 1.2.1 永磁同步电机控制策略
• 1.2.2 永磁同步电机的无传感器控制技术
• 1.2.3 永磁同步电机的转子初始位置检测
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 永磁同步电机的系统建模与控制
• 2.1 永磁同步电机结构与分类
• 2.2 永磁同步电机数学模型
• 2.2.1 三相静止坐标系下的数学模型
• 2.2.2 两相静止坐标系下的数学模型
• 2.2.3 两相旋转坐标系下的数学模型
• 2.3 永磁同步电机的变频控制原理图
• 2.4 本章小结
• 第三章 永磁同步电机V/F控制
• 3.1 永磁同步电机V/F控制原理
• 3.2 三次谐波注入原理
• 3.3 转子初始位置检测
• 3.3.1 电机转子初始位置检测原理
• 3.3.2 任意位置的定子电流矢量输出
• 3.4 仿真分析
• 3.4.1 V/F控制仿真
• 3.4.2 永磁同步电机转子初始位置仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 永磁同步电机矢量控制系统研究
• 4.1 永磁同步电机矢量控制原理
• 4.2 id=0的磁场定向矢量控制
• 4.3 系统控制器的设计
• 4.3.1 电流调节器设计
• 4.3.2 转速调节器设计
• 4.4 电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）
• 4.5 仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 永磁同步电机无速度传感器矢量控制系统研究
• 5.1 无速度传感器的转速辨识
• 5.1.1 基于定子磁链估计的速度辨识控制系统
• 5.1.2 直接计算法
• 5.2 永磁同步电机参数检测
• 5.2.1 电机直、交轴电感参数检测
• 5.2.2 转动惯量检测
• 5.2.3 定子相电阻检测
• 5.3 仿真分析
• 5.3.1 无速度传感器矢量控制仿真
• 5.3.2 转动惯量检测仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 实验研究
• 6.1 系统硬件设计
• 6.1.1 系统整体硬件结构
• 6.1.2 DSP的功能
• 6.1.3 TMS320F2812处理器外设
• 6.2 系统软件设计
• 6.2.1 系统主程序
• 6.2.2 V/F控制子程序
• 6.2.3 中断服务子程序
• 6.2.4 位置和速度计算
• 6.2.5 PI控制器程序
• 6.2.6 SVPWM算法实现
• 6.2.7 故障保护中断服务程序
• 6.3 实验结果与分析
• 6.3.1 实验参数
• 6.3.2 实验数据
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文