基于dSPACE的直接转矩控制电机动态负载实验系统的研究

论文摘要

电机动态负载实验系统作为研究设计城轨车辆传动系统的重要手段,对深入研究牵引传动系统构造、特性与参数设计,确定牵引变流器、控制策略与牵引电机间的参数的匹配特性与优化原则,具有重要的理论意义和实用价值。在系统分析城轨车辆牵引系统的负载特性基础之上,提出了基于直接转矩控制的电机动态负载实验方案,详尽分析了基于直接转矩控制策略的负载实验系统的结构,功能与控制策略。通过仿真验证了系统数学模型的正确性与控制方案的可行性。针对系统方案中存在的磁链观测器性能的不足与转矩脉动较大的问题,采用电压-速度模型改进定子磁链观测算法对观测器性能,同时引进空间矢量调制方式改善直接转矩控制负载系统的转矩脉动情况。通过仿真分析对比分析各控制策略,结果表明基于电压-速度模型的磁链观测器对定子电阻偏差与转速扰动具有较强的鲁棒性。引入空间矢量调制方式,则能够使得转矩的调节过程更加柔和,降低转矩脉动程度。在理论分析以及离线仿真研究的基础上,完成了基于dSPACE动态负载实验系统的硬件设计,并实现了仿真模型的实时改造。制作了工程样机,对其进行了调试,在不同工况下测试了负载系统的稳态特性与动态特性。实验结果表明,所设计的电机动态负载实验系统在不同工况下都能够实现动态加、减载,具有较快的响应特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景与意义
• 1.2 城轨车辆牵引电传动系统的发展概况
• 1.2.1 牵引传动系统的结构组成与功能要求
• 1.2.2 国内外牵引传动技术的发展
• 1.3 城轨车辆传动实验系统的研究现状
• 1.4 本文的课题来源和主要研究工作
• 2 实验系统总体方案设计
• 2.1 目标定位与设计思想
• 2.2 城轨车辆牵引阻转矩特性定量分析
• 2.2.1 基本阻力模型
• 2.2.2 附加阻力模型
• 2.2.3 车辆总阻力模型
• 2.2.4 车辆阻力至电机轴端负载扭矩的折算
• 2.2.5 牵引电机轴端负载折算结果分析
• 2.3 动态负载实验系统方案确定
• 2.3.1 实验架构方案论证
• 2.3.2 控制策略选择
• 2.4 本章小结
• 3 基于直接转矩的动态负载实验系统的设计
• 3.1 动态负载实验系统的数学模型
• 3.1.1 空间矢量
• 3.1.2 定转子电磁空间矢量及矢量方程
• 3.1.3 逆变器的开关状态与电压空间矢量
• 3.1.4 控制系统的原理与基本结构
• 3.2 动态负载实验系统的仿真实现
• 3.2.1 电机轴联数学建模
• 3.2.2 动态负载实验系统的离线仿真模型
• 3.3 结果分析与研究
• 3.4 本章小结
• 4 实验系统动态性能提高策略
• 4.1 磁链观测器的性能改善
• 4.1.1 定子磁链观测器的电流-速度模型
• 4.1.2 电流速度模型的转速扰动小信号仿真分析
• 4.1.3 定子磁链观测器的电压.速度模型
• 4.1.4 定子磁链观测器各模型间的对比仿真分析
• 4.2 转矩脉动的减小与优化
• 4.2.1 直接转矩控制的转矩脉动分析
• 4.2.2 转矩脉动的抑制措施
• 4.2.3 SVM-DTC控制负载实验系统与常规DTC负载实验系统的对比
• 4.3 本章小结
• 5 基于dSPACE的动态负载实验系统的实现
• 5.1 dSPACE半实物化仿真平台简介
• 5.1.1 dSPACE硬件结构介绍
• 5.1.2 dSPACE软件开发流程
• 5.2 动态负载实验系统的硬件设计
• 5.2.1 硬件系统简介
• 5.2.2 主电路逆变模块的选型原则
• 5.2.3 IPM光耦隔离驱动电路设计
• 5.2.4 辅助电源
• 5.2.5 模拟信号检测调理电路
• 5.2.6 保护逻辑电路
• 5.2.7 测速电路
• 5.3 离线仿真模型的实时改造
• 5.4 本章小结
• 6 动态负载实验系统的实验分析
• 6.1 实验系统的稳态特性分析
• 6.1.1 负载系统空载运行实验分析
• 6.1.2 模拟牵引工况实验分析
• 6.1.3 模拟制动工况实验分析
• 6.2 实验系统的动态特性分析
• 6.2.1 牵引工况下动态加载实验分析
• 6.2.2 制动工况下动态减载实验分析
• 6.3 本章小结
• 7 总结
• 7.1 论文主要结果分析
• 7.2 论文工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录