双转子永磁同步电机直接转矩控制系统设计

摘要

对转螺旋桨技术是一种先进的水下航行器推进技术，它能保持航行器直线前进，防止出现侧滚现象，提高了系统的运行效率。近年一种可用来驱动对转螺旋桨的双转子对转永磁同步电机成为研究热点，其独特的单定子双转子结构能够简化推进系统的结构、减小体积、降低重量和成本，在水下电力推进领域有着广泛的应用前景。
　　文中对一种新型盘式单定子、双转子永磁电机及控制系统进行了深入的研究，并对其进行了工程设计。
　　首先介绍了双转子对转永磁同步电机的应用背景和发展情况。然后阐述了该种电机控制策略的研究现状，并分析了目前控制策略存在的缺陷。以一台新型盘式对转永磁同步电机为研究对象，介绍了它的拓扑结构，并详细分析了该种电机的工作原理。通过分析坐标变换关系，推导并建立了d-q轴下对转永磁同步电机的电压、电流和电磁转矩数学方程。
　　针对现有的双转子对转永磁同步电机控制方法存在的不足，将两个转子置于同一个坐标系下，分析其空间磁链矢量关系，提出了一种基于转矩角的双转子直接转矩控制方法。所述方法以转矩角控制为出发点，在双边转子负载不平衡时，通过观测双边转子转矩角并加以限制，实时调节定子磁链位置，控制转矩角在限定范围内，实现对双边转子转矩的分时调控。并在matlab环境下搭建了该控制系统的仿真模型，结果表明该方法可以实现两个转子跟随给定速度同步对转。
　　然后制定了双转子对转永磁同步电机控制系统的硬件设计方案，以DSPTMS320F28335作为主控芯片，控制系统所需的电机两路转子位置信息分别采用两个旋转变压器来检测;主电路部分的逆变器采用智能功率模块IPM，并对控制器的驱动模块、电源模块、控制模块、检测模块等硬件部分进行了器件选型以及相关电路设计。
　　最后基于TI公司的CCS3.1DSP软件开发平台，对控制系统的软件部分进行了设计，并建立了一台2.2kW盘式对转永磁同步电机的实验样机，经过加减载实验分析，验证了文中提出的双转子对转永磁同步电机控制系统的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 国内外研究及发展现状

1．2．1 对转螺旋浆技术在船舶上的应用现状

1．2．2 对转电机概述

1．2．3 双转子对转电机控制策略研究现状

1．3 本文的主要研究内容

第2章 对转永磁同步电机的结构及其数学模型

2．1 对转永磁同步电机的结构

2．2 对转永磁同步电机的数学模型

2．2．1 坐标变换及其变换矩阵

2．2．2 对转永磁同步电机的数学模型

2．3 本章小结

第3章 对转永磁同步电机控制原理分析

3．1 传统矢量控制策略

3．2 DTC控制原理分析

3．3 转矩角与磁链的控制准则

3．4 双转子空间磁链矢量关系

3．5 本章小结

第4章 基于转矩角的双转子SVM-DTC控制策略

4．1 SVM-DTC控制

4．1．1 SVM原理

4．1．2 SVM-DTC实现

4．2 定子磁链估算方法

4．3 速度、转矩、磁链闭环PI控制器

4．4 对转永磁电机控制策略的建模与仿真

4．4．1 Matlab／Simulink下的对转电机模型

4．4．2 磁链估计模块

4．4．3 电磁转矩估计模块

4．4．4 基于转矩角的双转子SVM-DTC系统仿真模型

4．4．5 仿真结果分析

4．5 本章小结

第5章 对转永磁同步电机控制系统的主硬件设计

5．1 硬件系统设计简介

5．2 主电路设计

5．2．1 逆变电路设计

5．2．2 直流母线电容容量和电压电流传感器参数计算

5．2．3 电源电路设计

5．3 控制板电路设计

5．3．1 TMS320F28335系列DSP芯片

5．3．2 电流、电压检测电路设计

5．3．3 转子位置和转速检测电路设计

5．3．4 通信接口电路设计

5．3．5 DA数字转换电路

5．4 本章小结

第6章 软件设计及实验研究

6．1 控制系统软件主体设计

6．2 实验分析

6．3 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录和参与的科研项目