大功率DTC系统高低速区控制策略研究

摘要

直接转矩控制是一种常见的电动机控制技术，由于其简单的控制结构，快速的转矩响应速度，对电动机参数变化的较强的鲁棒性等，十分适合应用在电力机车用的大功率电动机的控制系统中。大功率电动机控制由于开关损耗发热的原因开关频率必须控制得较低。本文研究的内容主要是低开关频率限制下的大功率电动机直接转矩控制在高低速区的控制策略。 论文详尽分析了异步电动机数学模型和传统直接转矩控制基本原理，二电平电压型逆变器的输出电压矢量对电动机定子磁链、电磁转矩的影响。研究了圆形、六边形和十八边形磁链控制下的直接转矩控制系统结构、扇区的划分与判断以及每个扇区电压矢量的选取。给出了不同磁链之间的切换策略并进行了仿真研究。 对于大功率电动机高速弱磁区定子磁链给定值的问题，论文分析了弱磁区不同速度下的转矩变化率和转矩滞环输出情况，提出了一种自寻优的定子磁链给定策略并在MATLAB中进行了仿真。通过仿真说明了该弱磁策略比传统的按速度弱磁策略能使定子磁链更加接近磁链最优给定值，提高了电动机带载能力。同时针对低速区转矩脉动问题，引入了占空比控制，对比了四种常用的占空比计算方式，同时提出了一种简化的占空比计算方式，通过仿真验证了本文中占空比方案能有效改善转矩脉动状况，减小电流谐波。 本文实验平台使用电力机车牵引逆变器及其配套的1.2MW异步电动机，同时基于DSP和FPGA设计了本文的控制系统，在FPGA上实现了直接转矩控制主程序。最后本文给出了磁链切换、带载、新的弱磁策略、低速区占空比实验的电压电流波形，并通过实验说明，不同磁链方式之间能够进行平滑切换，新的弱磁策略能够有效提升电动机带载能力，低速区下本文提出的占空比控制能有效抑制转矩脉动，改善电流波形。

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