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  本文關(guān)鍵詞：異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制理論和技術(shù)的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《山東大學(xué)》 2008年

異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制理論和技術(shù)的研究

孫振川  

【摘要】： 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在電力機車牽引、汽車工業(yè)以及家用電器等工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在運動控制系統(tǒng)中,直接轉(zhuǎn)矩控制作為一種新型的交流調(diào)速技術(shù),其控制思想新穎、控制結(jié)構(gòu)簡單、控制手段直接、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速,正在運動控制領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用。雖然直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)勢是矢量控制所不能實現(xiàn)的,但是直接轉(zhuǎn)矩控制依然存在一系列不能忽視的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制采用兩點式轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)控制器,使轉(zhuǎn)矩和磁鏈被控制在給定值的一定范圍以內(nèi),這種控制方法不可避免地帶來電機輸出轉(zhuǎn)矩脈動過大和逆變器開關(guān)頻率不恒定等問題。直接轉(zhuǎn)矩控制采用定子磁鏈定向,只用便于測量的定子電阻來估計定子磁鏈,這樣在低速運行時會帶來磁鏈估計的誤差。雖然在全速范圍內(nèi)估計定子磁鏈運用低速時采用的電流-轉(zhuǎn)速模型和高速時采用的電壓-電流模型的合成模型,即電壓-轉(zhuǎn)速模型,然而兩種模型的平滑切換又是一個新的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制在基頻以下調(diào)速的理論和應(yīng)用已經(jīng)實現(xiàn),在基頻以上的弱磁調(diào)速范圍內(nèi)的理論和應(yīng)用還需要進一步的研究。 為了解決這些問題,本文針對異步電動機在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和兩種改進的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行了研究。在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,詳細(xì)討論了定子磁鏈估計的三種基本模型,設(shè)計了定子磁鏈估計的加權(quán)模型,使電機在全速運行的范圍內(nèi)都能夠得到準(zhǔn)確的定子磁鏈。針對轉(zhuǎn)矩脈動過大和逆變器開關(guān)頻率不恒定的問題,本文設(shè)計了兩種改進的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。在基于占空比控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,通過對一個采樣周期內(nèi)非零電壓矢量作用時間占采樣周期的占空比的優(yōu)化,解決了轉(zhuǎn)矩脈動過大的問題;在一個采樣周期內(nèi),從非零電壓矢量到零電壓矢量的轉(zhuǎn)換只有一次,實現(xiàn)了開關(guān)頻率的恒定。在基于滑模變結(jié)構(gòu)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,本文設(shè)計了轉(zhuǎn)矩和磁鏈滑模變結(jié)構(gòu)控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)控制器;運用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù),實現(xiàn)了開關(guān)頻率的恒定。本文把傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和兩種改進的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)擴展到基頻以上的弱磁范圍內(nèi)的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中,對其進行了相關(guān)研究。 為了驗證上述各種控制系統(tǒng)的正確性和有效性,本文采用Matlab/Simulink仿真軟件對其進行了仿真驗證。針對傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),對定子磁鏈估計的加權(quán)模型進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明所設(shè)計的定子磁鏈的加權(quán)模型能夠在電機運行的全速范圍內(nèi)準(zhǔn)確地估計定子磁鏈。針對基于占空比控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和基于滑模變結(jié)構(gòu)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),本文分別對負(fù)載轉(zhuǎn)矩有擾動和無擾動、給定轉(zhuǎn)速為恒定值和不為恒定值四種情況進行了仿真驗證,并分別和傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果進行了對比。仿真結(jié)果表明,兩種改進的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)均能有效的減小轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差。針對電機運行在基頻以上的弱磁調(diào)速情形,本文運用三種不同的直接轉(zhuǎn)矩控制方法分別進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明,兩種改進的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)依然優(yōu)于傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng),依然能夠減小轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TM343
【目錄】：

摘要10-12

ABSTRACT12-14

第1章 緒論14-21

1.1 課題背景14-15

1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的產(chǎn)生與概況15-16

1.3 課題的主要研究內(nèi)容16-19

1.3.1 定子磁鏈的準(zhǔn)確估計16-17

1.3.2 減小轉(zhuǎn)矩脈動和保持開關(guān)頻率恒定17-19

1.4 論文各章節(jié)的安排19-20

1.5 本章小結(jié)20-21

第2章 感應(yīng)電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理21-56

2.1 異步電動機的數(shù)學(xué)模型21-29

2.1.1 異步電動機在任意速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型22-23

2.1.2 異步電動機在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型23-25

2.1.3 異步電動機在兩相同步坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型25-26

2.1.4 仿真結(jié)果及分析26-29

2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理29-34

2.3 定子磁鏈的估計模型34-40

2.3.1 定子磁鏈估計的u-i模型34

2.3.2 定子磁鏈估計的i-n模型34-35

2.3.3 定子磁鏈估計的u-n模型35

2.3.4 定子磁鏈估計的加權(quán)模型35-37

2.3.5 仿真結(jié)果及分析37-40

2.4 電壓空間矢量的選擇40-47

2.4.1 電壓空間矢量的分類40-42

2.4.2 電壓空間矢量對定子磁鏈的影響42-45

2.4.3 電壓空間矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響45-47

2.5 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真研究47-55

2.5.1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成47

2.5.2 仿真模型的建立47-54

2.5.3 仿真結(jié)果及分析54-55

2.6 本章小結(jié)55-56

第3章 基于占空比控制的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制56-69

3.1 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的主要缺點56-57

3.1.1 電磁轉(zhuǎn)矩脈動過大56-57

3.1.2 逆變器開關(guān)頻率不恒定57

3.2 占空比法原理分析57-58

3.2.1 占空比法減小轉(zhuǎn)矩脈動的原理分析57-58

3.2.2 占空比法維持開關(guān)頻率恒定的原理分析58

3.3 轉(zhuǎn)矩變化斜率的計算58-62

3.3.1 轉(zhuǎn)矩上升斜率的計算58-60

3.3.2 轉(zhuǎn)矩下降斜率的計算60-62

3.4 仿真結(jié)果及分析62-68

3.5 本章小結(jié)68-69

第4章 基于滑模變結(jié)構(gòu)的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制69-92

4.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本概念69-77

4.1.1 滑動模態(tài)69-70

4.1.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本問題70-71

4.1.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制的動態(tài)分析71-72

4.1.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計72-73

4.1.5 滑模變結(jié)構(gòu)控制的抖振問題73-77

4.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制在異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制中的應(yīng)用77-81

4.2.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計77-80

4.2.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制器減小轉(zhuǎn)矩脈動的原理分析80-81

4.3 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)81-84

4.3.1 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的原理分析81-84

4.3.2 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)維持開關(guān)頻率恒定的原理分析84

4.4 仿真結(jié)果及分析84-90

4.5 三種直接轉(zhuǎn)矩控制方法的對比分析90-91

4.5.1 傳統(tǒng)異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)缺點90

4.5.2 基于占空比控制的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)缺點90-91

4.5.3 基于滑模變結(jié)構(gòu)的異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)缺點91

4.6 本章小結(jié)91-92

第5章 直接轉(zhuǎn)矩控制在弱磁情況下的應(yīng)用92-99

5.1 異步電動機在弱磁情況下運行的原理分析92-94

5.1.1 基頻以下調(diào)速92-93

5.1.2 基頻以上調(diào)速93-94

5.2 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真結(jié)果及分析94-95

5.3 基于占空比控制的直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真結(jié)果及分析95-97

5.4 基于滑模變結(jié)構(gòu)的直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真結(jié)果及分析97-98

5.5 本章小結(jié)98-99

第6章 總結(jié)與展望99-101

附錄101-102

參考文獻102-107

致謝107-108

攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文108-109

學(xué)位論文評閱及答辯情況表109

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  本文關(guān)鍵詞：異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制理論和技術(shù)的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：215800