矩阵变换器多电压矢量的电机直接转矩控制系统的研究

论文摘要

本文以“基于矩阵变换器多电压矢量(长、短、零)的电机直接转矩控制”为主题,对矩阵变换器(MC)的多电压矢量进行了比较详细的阐述;研究了多电压矢量下矩阵变换器的基本原理,优点及空间矢量调制策略的可行性,分析了空间矢量调制策略的特点、基本算法与规律,在直接转矩控制理论的基础上,将矩阵变换器向交流电动机供电,得出了12扇区控制开关表,合理应用矩阵变换器的长、短、零电压矢量和直接转矩控制理论对电机进行调速,以实现高效、节能的交流调速系统,主要内容如下:本文首先从矩阵变换器的工作原理出发,对矩阵变换器进行建模分析,引出其双空间矢量调制策略和虚拟等效电路,得出矩阵变换器的空间矢量开关组合表;针对矩阵变换器的安全换流问题,介绍了目前常用的四步换流法。然后简单分析了交流电动机的直接转矩控制的基本原理,论述了直接转矩控制的系统控制方法,指出将矩阵变换器的优良特性和直接转矩控制的优点结合在一起,可以构成对电网无污染、高性能的“绿色”交流调速系统,并可调节系统功率因数,保持功率因数为1。最后,本文在以矩阵变换器为功率变换器的交流电动机直接转矩控制系统基础上,充分利用矩阵变换器三相输入端的大小电压来合成长、短、零电压矢量。并详细分析了不同电压矢量对转矩脉动的影响,以及不同电压矢量对系统功率因数的影响;同时,提出了一种5电平输出的新型滞环比较器,根据此滞环比较器的不同输出来判断转矩误差范围,通过对长、短、零电压矢量的合理使用,减小转矩脉动。在实验方面,利用MATLAB/SIMULINK软件,模拟实际系统,搭建仿真模型,对基于矩阵变换器多电压矢量的电动机直接转矩控制系统进行仿真实验;对不同电压矢量组合作用(长电压矢量、长短电压矢量、长短零电压矢量)的仿真结果进行了分析;并进行初步的物理样机实验验证。结果表明,该控制策略能够有效地减小低速时的转矩脉动,提高磁链精度,增强系统的鲁棒性,使DTC系统的低速性能得到较大的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 矩阵变换器概述
• 1.1.1 矩阵变换器的研究内容和国外发展历程
• 1.1.2 矩阵变换器的国内研究现状和热点
• 1.2 交流调速系统的发展与现状
• 1.3 直接转矩控制
• 1.3.1 直接转矩控制介绍
• 1.3.2 直接转矩控制技术与矩阵变换器
• 1.4 本课题的研究意义和研究内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 矩阵变换器理论分析
• 2.1 矩阵变换器原理
• 2.1.1 矩阵变换器的拓扑结构
• 2.2 矩阵变换器的控制策略
• 2.2.1 矩阵变换器的空间矢量调制原理
• 2.2.2 整流变换环节的空间矢量调制
• 2.2.3 逆变变换环节的空间矢量调制
• 2.2.4 矩阵变换器的双空间矢量调制策略
• 2.3 矩阵变换器的双向开关四步换流策略
• 2.3.1 双向开关的安全换流
• 2.4 本章小结
• 第3章 直接转矩控制基本原理
• 3.1 交流电动机数学模型
• 3.2 空间电压矢量
• 3.3 空间电压矢量对定子磁链及转矩的作用
• 3.3.1 空间电压矢量对定子磁链的作用
• 3.3.2 空间电压矢量对转矩的作用
• 3.4 直接转矩控制系统基本结构
• 3.4.1 直接转矩控制系统的磁链观测模型
• 3.4.2 直接转矩控制系统的转矩计算方法
• 3.4.3 直接转矩控制系统
• 3.5 本章小结
• 第4章 矩阵变换器与直接转矩控制的融合
• 4.1 基于矩阵变换器的电动机直接转矩控制基本原理
• 4.1.1 矩阵变换器的电压矢量选择
• 4.1.2 矩阵变换器的电压矢量与功率因数的关系
• 4.2 基于矩阵变换器的直接转矩控制系统
• 4.3 本章小结
• 第5章 矩阵变换器多电压矢量控制策略
• 5.1 矩阵变换器的电压矢量
• 5.2 矩阵变换器的电压矢量对转矩脉动的影响
• 5.3 矩阵变换器短、零电压矢量的应用
• 5.3.1 5 电平转矩滞环比较器的工作原理
• 5.3.2 考虑输入功率因数的要求时短电压矢量选择原则
• 5.4 本章小结
• 第6章 系统仿真分析
• 6.1 仿真平台
• 6.2 系统仿真模型
• 6.2.1 测量模块
• 6.2.2 系统的控制算法
• 6.3 仿真结果及其分析
• 6.3.1 三种方法的低速传动性能对比
• 6.3.2 方法3 的动态仿真试验
• 6.4 本章小结
• 第7章 系统设计与验证
• 7.1 TMS320F2407 处理器
• 7.2 硬件电路
• 7.2.1 主电路
• 7.2.2 控制电路
• 7.2.3 模拟电路板的设计
• 7.2.4 隔离电源的设计
• 7.3 软件程序设计
• 7.3.1 5 电平滞环比较器的设计
• 7.3.2 输入电压扇区计算实现
• 7.3.3 转矩和磁链计算
• 7.4 实验结果
• 7.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间所发表的论文