基于TMS320F2812矢量控制的双馈电动机调速研究

论文摘要

随着经济的发展,电能需求越来越大,在加大电能生产力度的同时,我们也应该注意节能降耗。风机、水泵等变工况运行的负载,若采用调速控制,可以大幅度的降低电能消耗。采用双馈电机调速系统能够满足调速要求,变频器的容量却是笼型电机的1／3,同时由于采用了矢量控制技术和数字控制技术,双馈电机调速系统具有良好的控制精度和动态响应,其应用范围可扩大到要求高控制性能的电气传动领域。论文首先介绍了双馈电机的发展概况,分析了其在工业应用中的优势,发展前景及目前仍需解决的问题,并根据调速系统要求总结出了本课题的主要工作。其次,根据双馈电机的基本原理,建立了三相坐标系中双馈电机数学模型。根据坐标变换,推导出在功率不变条件下双馈电机在两相旋转坐标系中的数学模型。并采用了定子磁场定向的控制策略来实现转速和定子电流励磁分量的解耦控制,采用电压空间矢量控制方式来实现磁链的跟踪控制。介绍了双馈电机的转子变频启动方法,并分析了转子变频运行模式和双馈运行模式下的转矩特性。依据双馈电机调速理论,详细分析了双馈电机在次同步转速下电动运行,次同步下定子回馈制动,超同步电动运行,超同步下定子回馈制动和倒拉反转电动运行工况下的能量流动关系。详细介绍了双馈电机调速系统的硬件电路,包括信号采集电路,控制芯片、驱动电路、通信电路和保护电路,并对各部分电路所选器件型号进行了说明。根据设计目标,编写了基于TMS320F2812的C语言程序,主要包括转子位置检测程序、SVPWM软件程序和数字PI控制器程序,并介绍了各模块的工作原理,给出了各模块软件流程图。在MATLAB/SIMLINK环境下搭建了基于定子磁场定向的电压空间矢量控制策略的双馈电机仿真模型,对各种工况进行了仿真,仿真结果显示双馈电机在稳态运行时谐波含量小,在调速时跟随快、超调量小、调速范围宽,在负载变化时转速能够保持不变,体现了双馈调速系统的抗扰动性。最后分析了SVPWM波形与转差频率的关系,并在实验室环境下进行了双馈电机的开环实验和有功电流的闭环实验,实验结果显示,双馈电机运行稳定,调速性能能够达到要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 调速系统的发展历史
• 1.2 双馈电机的技术发展状况
• 1.3 双馈电机技术方面的优势
• 1.4 双馈电机的工业应用前景
• 1.5 本文研究的目的和主要内容
• 第二章 双馈电机定子磁场定向矢量控制原理
• 2.1 双馈电机的基本工作原理
• 2.2 矢量控制概述
• 2.3 双馈电机在三相坐标系的数学模型
• 2.4 坐标变换
• 2.4.1 三相-两相静止坐标系变换（3s/2s变换）
• 2.4.2 两相静止-两相旋转变换（2s/2r变换）
• 2.4.3 直角-极坐标变换（K/P变换）
• 2.5 双馈电机在两相旋转坐标系的数学模型
• 2.6 定子磁场定向的矢量控制策略
• 2.7 电压空间矢量PWM（SVPWM）
• 2.7.1 空间矢量的定义及其与磁链空间矢量的关系
• 2.7.2 电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制
• 2.8 本章小结
• 第三章 双馈电机的启动和在不同工况下的能量关系
• 3.1 双馈电机的启动
• 3.1.1 运行模式
• 3.1.2 运行模式切换与并网控制
• 3.1.3 双馈运行模式下的转矩特性
• 3.1.4 转子变频运行模式下的转矩特性
• 3.2 双馈电机的调速理论
• 3.3 双馈电机在几种工作状况下的能量关系
• 3.3.1 次同步转速下电动运行
• 3.3.2 转子运行于次同步速的定子回馈制动状态
• 3.3.3 转子运行于超同步速的电动状态
• 3.3.4 转子运行于超同步速的定子回馈制动状态
• 3.3.5 电机运行于倒拉反转的电动状态
• 3.4 本章小结
• 第四章 双馈电机调速系统及软件设计
• 4.1 系统结构
• 4.2 硬件组成
• 4.2.1 TMS320F2812数字信号处理器介绍
• 4.2.2 信号采集电路
• 4.2.3 光电编码器信号检测电路
• 4.2.4 IPM驱动电路
• 4.2.5 RS-232通信电路
• 4.3 软件设计
• 4.3.1 软件构成
• 4.3.2 转子位置检测
• 4.3.3 SVPWM软件实现
• 4.3.4 PI控制器的设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 双馈电机调速系统仿真及实验
• 5.1 双馈电机调速系统仿真
• 5.1.1 系统仿真模型
• 5.1.2 系统仿真结果
• 5.1.3 仿真结果分析
• 5.2 双馈电机调速系统实验
• 5.2.1 SVPWM波形检测
• 5.2.2 开环实验
• 5.2.3 有功电流闭环
• 5.3 本章小结
• 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间的研究成果