基于滑模变结构的同步电机SVM直接转矩控制的研究

论文摘要

现代电气传动控制的发展趋势之一是开发新型的交流调速和伺服系统。而在交流调速系统中,无论是小功率的永磁同步电机和开关磁阻电机,还是大功率的永磁同步电机和励磁同步电机,都表现出突出的优势。同步电机与直流电机相比,具有过载能力大、效率高、体积小、重量轻、维护简单和可靠性高等优点;与异步电机调速相比,又具有功率因数高、变频器容量小、转动惯量小等优点。直接转矩控制(Direct Torque Control—DTC)是继矢量控制之后发展起来的一种新型的交流调速技术。直接转矩控制策略具有控制结构简单、物理概念清晰、对电机内部参数依赖少、转矩响应迅速和易于数字化等优点,因此,在交流传动领域中,越来越受到学者的关注。所以,把直接转矩控制技术应用于同步电机之中,具有巨大的理论价值和广阔的应用前景。本文以直接转矩控制策略为中心进行理论研究和仿真分析。首先在不同坐标系下分析了同步电机的数学模型,在此基础上研究了传统的直接转矩控制原理,确定了直接转矩控制系统中电压矢量的选择规则。仿真结果表明,传统的直接转矩控制虽然转速响应快,但是,磁链和转矩脉动比较大。因此,采用基于空间电压矢量PWM调制(Space Voltage PWM Modulation—SVM)的直接转矩控制,对传统的直接转矩控制进行改进。仿真结果表明,这种方法转速响应快,能够较好的减小磁链和转矩脉动。但是,其设计原理决定了系统对于不确定因素引起的误差和外界的扰动不能及时控制,自适应性和鲁棒性不强。针对传统直接转矩控制方式和SVM直接转矩控制方式中的缺陷,论文提出磁链和转矩采用滑模变结构控制(Sliding Mode Variable Structure Control)的方法,引入到SVM直接转矩控制系统中。滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略,这种控制与常规控制的根本区别在于控制的不连续性,即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。系统根据运行参数的变化,迫使系统控制量在设计好的滑模面s=0上运动,而这种滑动模态是可以设计的且与系统的参数和扰动无关。这样,处于滑模运动的系统就具有很好的鲁棒性,使实际磁链和转矩能够更好的跟踪给定磁链和转矩。论文结合同步电机模型方程和滑模变结构控制原理,设计出同步电机的磁链和转矩滑模控制器,而对滑模控制中常存在的抖振问题,也提出了合理的解决办法。仿真结果表明,此方法去除了前两种系统的缺陷,其磁链脉动和转矩脉动微弱,调速稳定,响应快速,且增强了系统的自适应性和鲁棒性,是一种先进的同步电机控制方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 研究同步电机的意义
• 1.1.1 同步电机与直流电机调速的比较
• 1.1.2 同步电机与异步电机调速的比较
• 1.1.3 永磁同步电机的发展
• 1.2 同步电机变频调速的原理
• 1.2.1 他控式变频调速
• 1.2.2 自控式变频调速
• 1.3 直接转矩控制技术
• 1.4 滑模变结构控制技术
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 同步电机的数学模型
• 2.1 交流同步电机的基本数学公式
• 2.2 坐标变换
• 2.2.1 坐标变换和矢量变换
• 2.2.2 Clarke变换和Clarke反变换
• 2.2.3 Park变换和Park反变换
• 2.3 D-Q坐标系下和α-β坐标系下同步电机的数学模型
• 2.5 同步电机的矢量图
• 第3章 同步电机直接转矩控制
• 3.1 直接转矩控制的特点
• 3.2 同步电机直接转矩控制的数学模型
• 3.2.1 基本数学模型
• 3.2.2 定子磁链观测器模型
• 3.2.3 转矩观测器模型
• 3.3 同步电机直接转矩控制系统的原理
• 3.3.1 电压型逆变器的开关模型和电压空间矢量
• 3.3.2 定子磁链的控制
• 3.3.3 电磁转矩的控制
• 3.3.4 选择电压矢量的原则
• 3.4 传统的同步电机直接转矩控制系统
• 3.5 MATLAB仿真分析与结论
• 第4章 基于空间电压矢量PWM的同步电机直接转矩控制
• 4.1 SVM的基本原理
• 4.2 SVM的控制方案
• 4.3 SVM下的同步电机直接转矩控制系统
• 4.4 MATLAB仿真分析与结论
• 第5章 基于滑模变结构的同步电机SVM直接转矩控制
• 5.1 滑模变结构控制的发展
• 5.2 滑模变结构控制的特点
• 5.3 滑模变结构控制的原理
• 5.3.1 滑动模态及其数学表达
• 5.3.2 等效控制及滑模运动
• 5.3.3 滑模变结构控制的基本问题
• 5.3.4 滑模变结构控制的基本方法
• 5.4 滑模变结构控制在同步电机SVM直接转矩控制中的应用
• 5.4.1 滑模控制器的设计
• 5.4.2 系统滑动模态的存在性和可达性
• 5.4.3 系统的稳定性和鲁棒性
• 5.5 MATLAB仿真分析与结论
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文及参与项目
• 学位论文评阅及答辩情况表