基于矩阵变换器的异步电动机矢量控制系统研究

论文摘要

近年来,随着电力半导体器件及微电子器件特别是微型计算机及大规模集成电路的发展,再加上现代控制理论,特别是矢量控制技术向电气传动领域的渗透和应用,使得交流电机调速技术日臻成熟。以矢量控制为代表的交流调速技术通过坐标变换重建电机模型,从而可以像直流电机那样对转矩和磁通进行控制,交流调速系统的调速性能已经可以和直流调速系统相媲美。因此,研究由矢量控制构成的交流调速系统已成为当今交流变频调速系统中研究的主要发展方向。传统的矢量控制系统按照其核心装置—变频器的不同,可分为交-交变频调速系统和交-直-交变频调速系统。它们虽具有结构简单、易于控制、技术成熟、可靠等优点,但也存在功率因数较低、谐波丰富、无法实现能量的双向传递等一系列的缺陷。而新型的变频装置-矩阵变换器属于交-交一次性变换、无中间滤波电容、能够产生正弦的输入电流和输出电压。故将矩阵变换器作为新一代矢量控制系统的核心装置,能够实现减少谐波危害、抑制电网污染、提高电源质量并实现能量双向流动,达到科学合理用电的效果,使矢量控制系统拥有更广阔的发展前景。本文首先介绍了交流调速系统的发展与现状;然后,从矩阵变换器的拓扑结构出发,对矩阵变换器空间矢量调制及四步换流策略进行了理论分析推导;接着,对异步电动机矢量控制基本原理及基于矩阵变换器的异步电动机矢量控制系统的结构及工作原理进行了深入的分析,并在此理论分析的基础上,采用矩阵变换器替代传统变频器作为变频电源的方案,构成了新型的异步电动机矢量控制系统,在发挥矢量控制系统本身所具有良好的传动性能的基础之上,进一步实现了对电网谐波污染的控制,并实现了电机的四象限运行,达到高效与节能的目的。最后,综合矩阵变换器的控制策略及异步电动机转子磁场定向理论,采用计算机仿真方法分别建立了矩阵变换器仿真模型以及基于矩阵变换器的异步电动机矢量控制系统仿真模型,对矩阵变换器的控制原理、输入、输出性能以及矢量控制系统的的优质的抗扰能力及四象限运行特性进行分析验证,展现了该新型交流调速系统的广阔发展前景,并针对基于矩阵变换器的异步电动机矢量控制系统的特点,着重对矢量控制单元进行了软件设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1.绪论
• 1.1 引言
• 1.2 交流调速系统的发展与现状
• 1.3 矩阵变换器的发展及研究动态
• 1.4 异步电动机矢量控制特点
• 1.5 本课题研究内容及研究意义
• 2.基于空间矢量调制的矩阵变换器控制原理
• 2.1 矩阵变换器控制原则
• 2.2 矩阵变换器控制策略分类及空间矢量调制原理
• 2.2.1 矩阵变换器控制策略分类
• 2.2.2 矩阵变换器空间矢量调制原理
• 2.3 双向开关构成及换流策略
• 2.4 本章小结
• 3.基于矩阵变换器的异步电动机矢量控制系统基本原理
• 3.1 异步电动机矢量控制基本原理
• 3.1.1 矢量变换原理及实现方法
• 3.1.2 异步电动机的数学模型
• 3.1.3 基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统
• 3.2 异步电动机矢量控制系统基本结构
• 3.3 基于矩阵变换器的异步电动机矢量控制系统
• 3.3.1 控制系统基本结构
• 3.3.2 控制系统工作原理
• 3.4 本章小结
• 4.基于空间矢量调制的矩阵变换器及其矢量控制系统仿真研究
• 4.1 基于空间矢量调制的矩阵变换器仿真研究
• 4.1.1 仿真模型建立
• 4.1.2 矩阵变换器拖动阻感负载仿真研究
• 4.1.3 矩阵变换器拖动异步电动机负载仿真研究
• 4.2 仿真研究模型建立
• 4.2.1 控制量计算单元仿真模型
• 4.2.2 坐标变换单元仿真模型
• 4.2.3 基于矩阵变换器的异步电动机矢量控制系统仿真模型
• 4.3 基于矩阵变换器的异步电动机矢量控制系统的仿真研究
• 4.3.1 调速系统起动过程仿真研究
• 4.3.2 调速系统转矩突变过程仿真研究
• 4.3.3 调速系统加速过程仿真研究
• 4.3.4 调速系统四象限运行仿真研究
• 4.3.5 调速系统能量回馈性能仿真研究
• 4.4 本章小结
• 5.基于矩阵变换器的异步电动机矢量控制数字系统的软件设计
• 5.1 TMS320LF2812芯片概况
• 5.2 基于DSP矢量控制系统基本组成
• 5.3 基于矩阵变换器的异步电动机矢量控制系统DSP软件设计
• 5.3.1 采样电流及参数的规格化
• 5.3.2 坐标变换
• 5.3.3 Sin和Cos的计算
• 5.3.4 转子磁链位置的计算
• 5.3.5 数字PI调节器
• 5.3.6 增量式编码器速度检测
• 5.4 本章小结
• 6.展望
• 7.参考文献
• 8.攻读硕士学位期间发表论文情况
• 9.致谢