基于三电平逆变器的异步电动机矢量控制系统的研究与设计

论文摘要

近年来,随着电力电子技术、大规模集成电路以及计算机控制技术的发展,加之现代控制理论的应用,交流调速技术已经广泛应用于各个工业领域中,已经成为当前电力拖动控制的主流方向,其中矢量控制因为可以实现转矩和磁链的解耦,在异步电机调速领域得到了广泛的应用。多电平逆变器能够实现高压大容量、输出电压谐波含量低、电磁干扰小,在高电压大功率逆变场合被广泛应用。而三电平逆变器是多电平逆变器中最具代表性的一种。因此,基于三电平逆变器的矢量控制系统是交流传动领域的研究热点之一,对其研究与设计是具有实际意义的。本文首先阐述了二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构及其基本工作原理,对三电平空间电压矢量脉宽调制控制策略做了详细研究,分析了具体实现步骤,包括矢量合成、矢量作用时间计算、矢量作用顺序及作用时间分配。然后给出了坐标变换原理和异步电动机的数学模型,在两相同步旋转坐标系下,电流的磁通分量和转矩分量实现完全解耦,从而异步电动机就可以像直流电动机一样通过分别控制磁通和转矩输出来实现交流异步电动机的高性能控制；阐述了异步电动机的矢量控制原理,设计了转子磁场定向控制系统,重点分析了转子磁链观测模型和给定电压前馈补偿环节。其次分析了电机参数变化对磁场定向和系统性能的影响,利用模型参考自适应理论在线辨识电机参数,对转子时间常数进行补偿；研究了基于转子磁链模型MRAS和基于无功功率模型MRAS辨识转子时间常数的方法,对两种辨识参数的方法进行了比较。采用MATLAB/Simulink对系统进行了仿真,仿真结果验证了理论的正确性与可行性。最后,建立了三电平逆变器异步电动机矢量控制实验系统,对系统进行硬件设计和软件设计,并且对该系统进行了调试,实验结果表明系统具有良好的动态性能和鲁棒性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 交流变频调速技术的发展及现状
• 1.3 多电平逆变器的发展
• 1.4 课题研究的方向及论文的主要内容
• 第2章 二极管箝位式三电平逆变器
• 2.1 二极管箝位式三电平逆变器拓扑结构
• 2.2 二极管箝位式三电平逆变器基本原理
• 2.3 三电平空间电压矢量控制算法
• 2.3.1 三电平空间电压矢量
• 2.3.2 三电平空间矢量区域判断
• 2.3.3 三电平空间矢量作用时间
• 2.3.4 三电平空间矢量作用时间的分配
• 2.4 仿真结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 异步电动机矢量控制系统
• 3.1 异步电动机数学模型
• 3.1.1 坐标变换
• 3.1.2 异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型
• 3.1.3 异步电动机在两相静止坐标系上的数学模型
• 3.1.4 异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型
• 3.2 异步电动机矢量控制系统
• 3.2.1 矢量控制的基本原理
• 3.2.2 转子磁场定向控制
• 3.2.3 转子磁链计算
• 3.2.4 电压前馈补偿
• 3.3 转子磁场定向控制系统的建立与仿真
• 3.3.1 控制系统的建立
• 3.3.2 仿真结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 异步电动机的参数在线辨识
• 4.1 电机参数变化对磁场定向和系统性能的影响
• 4.2 基于模型参考自适应的电机转子时间常数的在线辨识
• 4.2.1 模型参考自适应理论
• 4.2.2 基于转子磁链的模型参考自适应系统
• 4.2.3 基于无功功率的模型参考自适应系统
• 4.3 本章小结
• 第5章 系统设计及实验结果
• 5.1 系统整体构成
• 5.2 控制单元硬件设计
• 5.2.1 DSP外围电路
• 5.2.2 电机定子相电流、直流母线电压检测电路设计
• 5.3 控制系统软件设计
• 5.4 实验结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文