基于直接转矩控制(DTC)的变频器在起重机调速中的应用研究

摘要

随着电子元器件的发展，变频调速技术获得了广泛应用，而如何获得更好的控制策略，使起重机获得更好的起动转矩和精准的控制，则需要更好的变频器控制策略。直接转矩控制(DTC)技术是上世纪80年代兴起的一种新的电机调速技术，与传统的矢量控制(VC)技术相比，基于直接转矩控制(DTC)技术的交流变频调速技术具有结构简单、强鲁棒性与快速性等特点。将直接转矩技术应用于三相感应电机变频调速，提高其能量利用效率和快速响应，具有分外重要的意义。目前科技的快速进步和社会的高速发展使得人民对生活中的各种产品提出了新的要求，而感应电机则广泛应用于我们的生活当中，因此感应电机的性能和控制方式显的尤其重要，直接转矩控制(DTC)是继矢量控制后另一种有跨时代意义的电机控制方式，其控制方式简单，动态响应快，对电机参数依赖不强，然而传统的直接转矩控制(DTC)转矩波动较大。
　　本文首先分析了起重机采用直接转矩控制(DTC)的变频器调速工作基本原理，然后对起重机驱动电机调速的直接转矩控制系统进行建模，其中首先介绍了起重机驱动电机调速在三种不同转速坐标系下的动态数学模型:两相任意速旋转、两相静止和两相同步转速。然后阐述了用于起重机驱动电机调速定子磁链估计的u-i模型、i-n模型、u-n模型等3种基本模型，然后再对电压空间矢量的选取原则进行了讨论，分析了电压空间矢量对定子磁链幅值和电磁转矩的影响，最后基于Matlab/Simulink起重机驱动电机调速仿真平台进行了起重机驱动电动机的建模和起重机驱动电机调速仿真，搭建了一个直接转矩控制系统，并对交流牵引电机额定工况点的运行性能进行了起重机驱动电机调速仿真，对起重机驱动电机在各工况段的关键点进行了校核，起重机驱动电机调速仿真结果表明建立的Matlab/simulink模型得到的起重机驱动电机调速仿真数据与labview软件得到的数据基本吻合，变化趋势一致，电机响应速度较快，能量利用率较高，验证了起重机驱动电机调速仿真模型的正确性和有效性，同时也验证了起重机驱动电机调速直接转矩控制(DTC)原理的正确性和有效性。
　　本文主要做了下面几项工作:
　　1)详细的阐述了直接转矩控制(DTC)的基本原理，在simulink平台上建立其控制策略并对起重机驱动电动机调速进行仿真，分析了感应电机空载启动，负载启动，和负载突变时的动态响应。模拟了起重机实际工作的各种工况，使实验更具有应用意义。
　　2)在labview平台上搭建直接转矩控制(DTC)策略，并完成了硬件和软件的设计。
　　从simulink起重机驱动电机调速仿真的结果来看，在这三种条件下，感应电机都能迅速的达到稳态，并且磁链的幅值都维持在给定值，磁链轨迹基本接近圆形，但是转矩波动较大，和预期结果一致。
　　对于labview，经过测试，我们可以从PXIe6361板卡上采集到输入信号，从PXI6733板卡上检测到输出信号，在IPM管的输入针上也检测到PWM信号，从而说明系统的硬件和软件均正常工作。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 变频调速系统

1．2．2 转差频率控制

1．2．3 矢量控制

1．2．4 直接转矩控制(DTC)

1．3 本文主要研究内容和实现途径

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 实现途径

第二章 直接转矩控制(DTC)的基本原理

2．1 感应电机的数学模型

2，2 变频器的工作状态

2．3 空间电压矢量

2．3．1 定子电压空间矢量

2．3．2 电压空间矢量对定子磁链的影响

2．3．3 电压空间矢量对电磁转矩的影响

2．4 直接转矩控制系统的结构

2．4．1 坐标变换模块

2．4．2 定子磁链和电磁转矩的计算

2．4．3 磁链位置空间判断

2．4．4 磁链调节器

2．4．5 转矩调节器

2．4．6 电压矢量选择表

2．4．7 转速PI

第三章 感应电机直接转矩控制(DTC)调速建模

3．1 异步电机的数学模型

3．1．1 起重机驱动电机调速在任意转速旋转坐标轴系下的数学模型

3．1．2 起重机驱动电机调速在两相静止坐标轴系下的数学模型

3．1．3 起重机驱动电机调速在两相同步转速坐标轴系下的数学模型

3．2 定子磁链的估计模型

3．2．1 定子磁链估计的u-i模型

3．2．2 定子磁链估计的i-n模型

3．2．3 定子磁链估计的u-n模型

3．3 电压空间矢量的选取

3．3．1 电压空间矢量的分类

3．3．2 电压空间矢量对定子磁链产生的影响

3．3．3 电压空间矢量对电磁转矩产生的影响

第四章 模型起重机驱动电机调速仿真的结果分析

4．1 直接转矩控制系统的起重机驱动电机调速仿真模型

4．1．1 坐标变换模块

4．1．2 转矩和磁链计算模块

4．1．3 扇区判断模块

4．1．4 磁链和转矩滞环控制模型

4．1．5 电压空间矢量选择

4．2 起重机驱动电机调速仿真结果及分析

4．2．1 空载启动

4．2．2 负载启动

4．2．3 转矩突变

第五章 Labview平台的硬件软件设计

5．1 硬件设备

5．2 软件

5．2．1 直接转矩控制系统的起重机驱动电机调速仿真模型

5．2．2 线电压至相电压变换

5．2．3 坐标变换模块

5．2．4 磁链和转矩计算模块

5．2．5 扇区判断模块

5．2．6 PI调节器

5．2．7 磁链和转矩滞环控制模型

5．2．8 电压空间矢量选择以及IGBT控制信号的输出

第六章 结束语

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文情况