基于VSR-VSI的永磁同步电机驱动控制系统研究

摘要

在现代社会对能源和环保要求越来越高的背景下，开展对高效、环保的电机驱动控制系统的研究是十分迫切和必要的。电压源型整流器(Voltage Source Rectifier，VSR)具有输入电流正弦、功率因数高、能量可双向流动的优点，近年来一直是研究关注的热点。将VSR与电压源型逆变器(Voltage Source Inverter，VSI)整合为VSR-VSI应用于电机驱动控制系统中，能够实现电机驱动系统的双向可逆运行和能量回馈控制，但该技术目前仍处于研究阶段。为此本文选取基于VSR-VSI的永磁同步电机驱动控制系统作为研究对象，围绕VSR-VSI整合后出现的母线电压可控，能量可双向流动的新特点，对VSR有源前端的控制策略，永磁同步电机的能量回馈控制策略，以及VSR-VSI的整合实现方法及协调控制技术等方面进行深入研究，具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　论文首先建立VSR-VSI永磁同步电机系统在dq坐标系中的数学模型，推导出d、q轴等效开关函数的取值范围，给出系统可逆运行的定义，为后续的研究奠定理论基础。通过分析VSR-VSI系统单位功率因数可逆运行时母线电压、电网电势、输入电流、负载电流之间的制约关系及电流平衡点的稳定性，指出系统存在双向不对称的运行特点，为后续控制策略的改进提供理论支撑。
　　为了解决VSR-VSI变换器应用于永磁同步电机驱动控制系统中，传统单自由度PI电压控制器不能兼顾母线电压设定点镇定和扰动抑制的问题，提出一种二自由度的I-PD电压控制策略。详细给出控制器参数的整定方法，并进行系统性能分析。仿真和实验结果表明，该控制策略能够有效地减小母线电压超调，抑制浪涌电流冲击，减小负载扰动和电网电势波动的影响。
　　针对传统串联控制结构的母线电压响应速度慢的问题，在输入—输出反馈线性化控制方法的基础上，提出一种由电压误差和电流误差共同作用输入变量的直接电压控制方法，简化了控制律表达式，减少了计算变量，并能够保证系统的渐进稳定性。利用电压误差方程对系统在不同负载扰动下的动、静态性能进行定量分析，及系统参数存在误差时的影响。仿真和实验结果表明该方法能够提高VSR在大负载扰动范围内的母线电压响应速度。
　　采用VSR-VSI驱动拓扑后可实现能量的双向流动，为了更好地控制永磁同步电机制动时的回馈能量，通过磁场定向控制下的制动过程分析，针对永磁同步电机三种典型负载建立恒转矩制动方式下的回馈能量模型。在此基础上，应用瞬时功率理论，提出一种基于饱和电流限制的能量回馈优化控制策略。仿真和实验表明，该策略可有效减小制动回馈时的功率冲击，提高能量回馈效率。
　　为了解决VSR与永磁同步电机之间的协调控制问题，提出一种基于瞬时功率计算的系统整合实现方法。采用单片三核数字信号控制器(Tricore DSC)，实现VSR-VSI永磁同步电机驱动系统的控制算法整合。完成系统硬件、软件的整合设计，并进行实验验证。实验结果表明，系统能够实现电机四象限、能量双向可逆运行，稳态运行平稳，动态抗扰动性能较好，能够有效降低系统不对称运行的影响。

目录

基于 VSR-VSI 的永磁同步电机驱动控制系统研究

RESEARCH ON PMSM DRIVECONTROL SYSTEM BASED ON VSR-VSI

摘要

Abstract

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题背景和研究的目的及意义

1.2 能量可逆电力电子变换器的研究现状

1.3 VSR-VSI 永磁同步电机驱动控制系统的研究现状

1.4 VSR-VSI 永磁同步电机驱动控制系统的几个关键问题

1.5 本文的主要研究内容及结构安排

第 2 章 VSR-VSI 永磁同步电机系统的数学建模与分析

2.1 引言

2.2 VSR-VSI 永磁同步电机系统的数学模型

2.3 VSR 可逆运行的母线电压约束条件

2.4 VSR 单位功率因数可逆运行分析

2.5 VSR-VSI 整合运行限制分析

2.6 本章小结

第 3 章 VSR 有源前端的反馈线性化控制策略

3.1 引言

3.2 基于微分几何的精确反馈线性化控制理论背景

3.3 基于输入状态线性化的二自由度电压控制方法

3.4 基于精确线性化模型的直接电压控制方法

3.5 本章小结

第 4 章 VSI 永磁同步电机系统的能量回馈分析及控制策略

4.1 引言

4.2 基于精确反馈线性化的磁场定向控制

4.3 磁场定向控制下PMSM 的制动与能量回馈分析

4.4 恒转矩制动方式下的回馈能量建模与对比研究

4.5 改进的能量回馈最大化控制策略

4.6 本章小结

第 5 章 VSR-VSI 永磁同步电机驱动控制系统的整合实现及实验研究

5.1 引言

5.2 基于单片Tricore DSC 的硬件系统整合实现

5.3 基于瞬时功率计算的控制系统软件设计

5.4 VSR-VSI 整合运行的实验结果及分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历