基于直接转矩控制的交流变频电力测功机控制方法的研究

摘要

在工业生产和控制中,测功机应用非常广泛。鼠笼式异步电机转子轻、高速性能好、结构简单、可四象限运行,是全功能型测功电机的首选品种;电力电子技术及微电子技术的飞速发展推动了电机控制技术的发展,电机的控制性能大大提高。直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后提出的又一种新型的交流电机调速理论,与矢量控制技术相比,其主要优点在于它摈弃了矢量控制中的解耦思想,直接对电机的磁链和转矩进行控制,具有控制直接,计算过程十分简化的优点。运用直接转矩控制方式、使用鼠笼式异步电机构建全功能型交流测功机系统是一种较理想的解决方案。本文深入研究了异步电动机直接转矩控制方法的基本原理,分析了直接转矩控制系统的系统结构,详细阐述了电压空间矢量、磁链与转矩的观测、磁链和转矩的协调控制等直接转矩控制的基础理论,说明了磁链和转矩的脉动与滞环宽度的关系及其优化控制策略。为了抑制启动电流和故障过电流,提出一种电流滞环控制方案。在MATLAB环境下建立了感应电机直接转矩控制系统及测功机系统的仿真模型,对所提出的控制策略和算法进行了全面的仿真研究,取得了良好效果。最后,本文选择鼠笼式感应电机作为负载电机,负载电机与驱动电机同轴相联,采用公用直流母线方式,以高速TMS320LF2407ADSP控制芯片和高速IPM模块为主体器件构建了测功机系统平台,进行实验研究。论文详细介绍了硬件控制电路的实现,和与之对应的控制系统的软件的编写方法,实现了直接转矩控制系统的全数字化控制。仿真和实验结果表明,采用鼠笼式异步电机作为负载电机、以高速DSP作为控制芯片、运用直接转矩控制技术对其实行转矩控制的测功机系统具有控制结构简单、给定转矩调节方便、快捷、系统转矩响应迅速、电能可通过共用直流母线形式或回馈单元回馈电网等一系列优点,是一种值得推广的新型测功机之一。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 课题的实用和学术意义

1.2 测功机技术的发展

1.3 交流电机控制技术的发展

1.3.1 电力电子技术和微电子技术的发展

1.3.2 电机控制技术发展方向

1.4 本文的研究目的和内容

2 电力测功机理论

2.1 引言

2.2 电力测功机稳定运行的条件

2.3 同步频率的控制

2.4 能量回馈理论

2.4.1 公共直流母线技术

2.4.2 回馈电网技术

2.5 仿真研究

3 感应电机的直接转矩控制

3.1 引言

3.2 直接转矩控制的理论基础

3.3 直接转矩控制系统的基本构成

3.4 定子磁链与电磁转矩的观测

3.4.1 u-i 模型

3.4.2 i-n 模型

3.4.3 u-n 模型

3.5 定子磁链运行区间判断和幅值计算

3.6 磁链和转矩的协调控制

3.7 磁链和转矩的脉动

3.7.1 磁链滞环宽度的优化

3.7.2 转矩滞环宽度的优化

3.8 电流的滞环控制

3.9 仿真研究

3.10 本章小结

4 电力测功机系统硬件设计

4.1 系统总体设计

4.2 逆变模块的使用与保护设计

4.2.1 功率模块的定额

4.2.2 功率模块的功能介绍

4.3.3 功率模块的保护设计

4.3 基于TMS320LF2407A 的电机控制器设计

4.3.1 TMS320LF2407A 控制芯片简介

4.3.2 电机控制器设计思路

4.3.3 A/D 采样电路

4.3.4 驱动与保护接口电路设计

4.3.5 CAN 通信设计

4.3.6 硬件设计时应注意的问题

4.4 本章小结

5 电力测功机系统软件设计

5.1 引言

5.2 DSP 软件开发环境

5.3 定点DSP 的数据Q 格式表示法

5.4 直接转矩控制算法在DSP 的实现

5.4.1 电流信号的调理

5.4.2 数字PI 调节器算法

5.4.3 直接转矩控制算法的实现

5.5 本章小结

6 系统仿真与实验结果及分析

6.1 引言

6.2 MATLAB 环境下电气传动系统的建模与仿真

6.3 模糊和常规直接转矩控制的对比仿真研究

6.4 测功机系统仿真研究

6.5 实验结果及分析

6.6 本章小结

7 全文总结

致谢

参考文献

附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文