TSMC-PMSM无速度传感器矢量控制系统研究

摘要

双级矩阵变换器(TSMC)是一种功率密度高、输入功率因数可控、能量可双向流动的新型“绿色”电力电子变换器。永磁同步电机(PMSM)以高功率密度、高转矩电流比、高效等优点被广泛应用。矢量控制技术的发展使得永磁同步电机的调速性能接近于直流电机，而无速度传感器技术又进一步拓宽了永磁同步电机的应用范围。TSMC-PMSM、矢量控制三者结合后系统在发挥各自优势的同时，更具有优良性能，系统中控制是核心，对系统矢量控制展开研究具有一定的理论意义和实用价值。
　　以TSMC-PMSM作为研究对象并将性能优良的矢量控制引入，TSMC整流级和逆变级分别采用无零矢量和有零矢量的空间矢量调制策略，推导了占空比表达式，给出了理论依据，针对TSMC-PMSM研究了有速度传感器和无速度传感器矢量控制算法，设计了速度、电流双闭环调节器，给出了有速度传感器矢量控制原理、各环节的检测及实现方法;采用反电动势积分法，通过带饱和反馈环节的磁链观测器和带符号判别的锁相环并结合定子相电压重构算法实现了转子磁链位置和转速估算，利用“三段式”起动方案解决了永磁同步电机在无速度传感器下的起动问题，在上述研究基础上最终构建了基于改进型磁链观测器的无速度传感器矢量控制系统。
　　在Matlab/Simulink环境下建立了TSMC-PMSM矢量控制系统仿真模型。搭建了一台以DSP+CPLD为核心的TSMC-PMSM实验样机，设计了系统软硬件，其中硬件包括主功率、采样调理、保护及D/A等电路，软件包括主、中断程序及CPLD程序。最终在样机上完成了有速度传感器和无速度传感器算法的实验验证。
　　仿真和实验结果表明，TSMC-PMSM矢量控制系统具有“绿色”网侧性能的同时，更具有优良的传动性能和功率密度高的潜在优势。本文的研究工作对体积、环境、网侧性能有特殊要求的电机控制场合具有一定的借鉴意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 双级矩阵变换器

1．2．2 永磁同步电机无速度传感器矢量控制

1．2．3 矩阵变换器PMSM系统

1．3 本文主要内容

2 双级矩阵变换器的工作原理

2．1 双级矩阵变换器的拓扑结构

2．2 双级矩阵变换器的调制策略

2．2．1 整流级无零矢量的空间矢量调制

2．2．2 逆变级电压空间矢量调制

2．3 本章小结

3 TSMC-PMSM矢量控制

3．1 永磁同步电机的分类和结构

3．2 永磁同步电机矢量控制

3．2．1 坐标变换

3．2．2 永磁同步电机旋转坐标系下的数学模型

3．2．3 永磁同步电机矢量控制原理

3．3 TSMC有速度传感器矢量控制

3．3．1 调节器的设计

3．3．2 转子位置、转速检测及实现

3．4 基于反电动势的TSMC无速度传感器矢量控制

3．4．1 转子磁链位置角辨识理论分析

3．4．2 带饱和反馈环节的磁链观测器

3．4．3 带符号判别的锁相环

3．4．4 定子相电压重构

3．4．5 转子位置和转速估算系统构成

3．5 永磁同步电动机“三段式”起动方案

3．6 本章小结

4 系统仿真

4．1 TSMC调制策略仿真

4．2 TSMC有速度传感器矢量控制系统仿真

4．3 TSMC无速度传感器矢量控制系统仿真

4．3 本章小结

5 系统软硬件设计

5．1 系统实现方案

5．2 硬件设计

5．2．1 输入滤波器

5．2．2 主电路及驱动

5．2．3 采样调理及D／A电路

5．2．4 光编调理电路

5．2．5 保护电路

5．3 软件设计

5．3．1 主程序

5．3．2 整流级中断程序

5．3．3 CPLD程序

5．3．4 逆变级中断程序

5．3．5 转子预定位程序

5．3．6 D／A转换程序

5．4 本章小结

6 仿真及实验结果分析

6．1 输入侧、直流侧波形及分析

6．2 有速度传感器结果及分析

6．2．1 输出电压及电流

6．2．2 动态观测量结果

6．3 无速度传惑器结果及分析

6．3．1 输出电压及电流

6．3．2 动态观测量结果

6．4 本章小结

7 全文总结及展望

致谢

参考文献

在校学习期间论文发表情况