基于改进弱磁方法的永磁同步电动机直接转矩控制系统研究

摘要

永磁同步电动机的直接转矩控制具有鲁棒性强，动态响应快，结构简单的特点，是当今最先进的控制方法之一。弱磁控制技术通过减弱电动机磁场，能够拓宽电动机的调速范围，对于提升电动机的性能有着重要意义。然而，当电动机在弱磁运行时，负载角会逐渐增大，超出了直接转矩控制原理的线性范围，影响电动机的控制性能，甚至会使系统失去控制。 本文的主要内容是对永磁同步电动机直接转矩控制下的弱磁控制算法进行研究与改进。针对电动机直接转矩控制系统在深度弱磁时不稳定的现象，本文提出了一种带有安全裕量角度的弱磁控制方法，保证负载角与电机转矩运行在线性区域，同时提出了一种新的电机转矩限制方法，保证电动机的稳定运行。 本文首先对永磁同步电动机的常用控制策略、控制器算法以及常用弱磁技术进行简要介绍。然后分析了永磁同步电动机的转子结构，通过坐标变换原理，建立电机在两相旋转坐标系下的数学模型。在此基础上，研究了直接转矩控制的理论和基本原理。重点阐述了空间电压矢量的选择依据和定子磁链与电机转矩的计算方法。 接下来系统分析了常见的永磁同步电动机的定子电流轨迹控制，引出了电动机的最佳弱磁控制策略。分析了电动机在不同种弱磁程度下的输出特性与负载角的情况，指出电动机在深度弱磁过程中时可能造成系统不稳定的现象。由此，本文提出一种基于负载角限制的电动机弱磁方法与新的转矩限制方法，保证了电动机的稳定运行。同时考虑到电动机控制系统的耦合性与非线性特点，本文采用滑模控制理论设计电动机的控制器，并使用指数趋近律有效抑制系统的抖振现象。 最后利用仿真验证提出控制方法的有效性与可行性。实验证明改进的弱磁控制方法比传统的弱磁方法有着更好的稳定性。此后，进一步搭建永磁同步电动机半实物仿真平台，实验结果也证明了改进控制策略的准确性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景意义

1．1．1研究背景

1．1．2研究意义

1．2永磁同步电动机控制系统的发展现状

1．2．1电动机控制系统的特点对比

1．2．2永磁同步电动机的控制策略分析

1．2．3永磁同步电动机的发展方向

1．2．4永磁同步电动机控制算法的发展方向

1．3永磁同步电动机弱磁控制策略的研究现状

1．4本文主要研究内容及目标

第2章永磁同步电动机直接转矩控制系统研究

2．1永磁同步电动机的结构

2．2永磁同步电动机的建模

2．2．1永磁同步电动机在三相坐标系下的数学模型

2．2．2永磁同步电动机常用坐标变换

2．2．3永磁同步电动机在旋转坐标系下的数学模型

2．3永磁同步电动机直接转矩控制系统

2．3．1永磁同步电动机直接转矩控制基本原理

2．3．2永磁同步电动机直接转矩控制的负载角限制

2．3．3逆变器的开关状态和电压空间矢量

2．3．4定子磁链矢量与电机转矩控制

2．3．5电压空间矢量的选择

2．3．6定子磁链与转矩的估算

2．3．7永磁同步电动机直接转矩控制方案

2．4本章小结

第3章永磁同步电动机弱磁控制策略研究

3．1永磁同步电动机弱磁控制的电压电流限制

3．2永磁同步电动机矢量控制方法

3．2．1永磁同步电动机id=0控制

3．2．2永磁同步电动机最大转矩电流比控制

3．2．3永磁同步电动机最大转矩电压比控制

3．2．4单位功率因数控制

3．3永磁同步电动机弱磁运行的最优电流轨迹

3．3．1最优电流轨迹输出特性分析

3．3．2永磁同步电动机弱磁控制的负载角限制

3．4永磁同步电动机直接转矩控制系统的弱磁运行

3．5本章小结

第4章改进永磁同步电动机弱磁控制系统的研究与仿真

4．1永磁同步电动机弱磁控制改进研究

4．1．1考虑负载角稳定的弱磁电流轨迹

4．1．2基于负载角的转矩限制方法

4．2永磁同步电动机转速控制器设计

4．2．1滑模控制的基本原理

4．2．2滑模控制器的设计方法

4．2．3永磁同步电动机滑模控制器设计

4．3永磁同步电动机弱磁控制仿真搭建

4．3．1永磁同步电动机模块

4．3．2弱磁控制模块

4．3．3直接转矩控制模块

4．4永磁同步电动机直接转矩弱磁控制系统仿真研究

4．4．1直接转矩控制系统仿真

4．4．2改进弱磁控制系统仿真

4．5本章小结

第5章基于RT-LAB的永磁同步电动机半实物仿真平台搭建

5．1半实物仿真平台组成

5．1．1永磁同步电动机硬件在环仿真

5．1．2永磁同步电动机快速控制原型仿真

5．1．3半实物仿真控制器开发流程

5．2永磁同步电动机半实物仿真平台的搭建

5．2．1半实物仿真平台硬件选型

5．2．2半实物仿真平台软件设计

5．2．3半实物仿真平台的整体结构

5．3半实物仿真平台系统测试与实验结果

5．3．1半实物仿真测试方法

5．3．2半实物仿真测试结果

5．4本章小结

第6章总结与展望

6．1工作总结与主要研究成果

6．2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文