电流型直流异步电动机及驱动控制方法研究

摘要

近年来，电压型逆变器在异步电动机的控制中得到了广泛应用，但因其限制负载过流能力差、动态响应慢和难于实现电动机四象限运行等缺点阻碍了它的进一步发展；相比之下，电流型逆变器具有较强的负载过流限制能力，动态响应性能好，易于实现四象限运行等优点而逐渐受到人们的关注，但电路中储能电感体积大、成本高，损耗大限制了电流型逆变器的推广应用。近十年来，随着电动汽车的发展，电动机驱动系统不但要求电动机成本低、工作可靠，还要求具有完善的过流保护能力，转矩控制准确，动态响应速度快，而采用电流源供电的异步电动机驱动系统可以满足上述要求。本文提出了一种电流型直流异步电动机（CDAM）及电流源驱动系统，对其从电磁作用机理、拖动性能及机械特性、可控电流源软开关变换器拓扑结构、数学建模、系统控制理论和方法、系统设计、仿真与实现等方面进行了研究；着重从CDAM及电流变换器驱动特性角度，研究了PDM滞环电流跟踪非线性控制系统。 利用磁势空间矢量合成法对CDAM旋转磁势合成原理进行分析。在分析三相交流电流驱动异步电动机磁势合成原理的基础上，研究了直流电流给异步电动机供电的方法，通过限定每相绕组磁势的变化规律，得到期望的磁势。控制流过异步电动机定子的电流，分别是直流脉动改进梯形电流和直流脉动马鞍电流，得到匀速旋转的正六边形磁势和圆形磁势。建立了αβ0坐标系CDAM的模型，利用电压-电流定子磁链观测法，借助MATLAB软件实现定子磁链仿真验证。 在分析CDAM磁势与感应电势关系的基础上，研究了CDAM的转子反应，提出了CDAM设计时需遵循的两个准则：磁势不超限准则和最大功率准则。在分析转子反应的基础上，给出了适用于CDAM的等效电路并对CDAM的机械特性进行分析。建立了基于ABC坐标系的CDAM模型并通过MATLAB软件验证电磁特性。 研究了与CDAM适配的直流电流变换器，克服了传统电流型逆变器中间储能电感体积大、功率开关频率低的缺点。研究电荷转移式零电流开关（CT-ZCS）DC/DC变换器工作原理，并提出了CT-ZCS型直流电流源软开关变换器；研究了CT-ZCS直流电流变换器的滑模控制方法，建立并完善了其滑模控制方程；研究并提出了适用于CT-ZCS直流电流变换器的一种基于脉冲密度调制（PDM）的滞环电流跟踪控制方法，并确定了直流电流变换器参数选取原则；利用符号映射法建立了CT-ZCS直流电流变换器的数学模型并通过仿真进行验证；为保证CT-ZCS直流电流变换器中开关严格工作于零电流开关状态和限制短路电流，对PDM进行改进，根据输出侧电压高低自动调整工作于定频PDM和变频PDM两种运行模式。 研发了基于DSP控制的CDAM实验系统，详细介绍了其硬、软件组成和设计方法，取得了一系列的实验结果。仿真研究和实验结果证明了CDAM及驱动和控制方案以及理论分析结果的正确性与可行性。

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