三电平电力牵引逆变器-电机系统直接转矩控制算法

摘要

直接转矩控制为当前电力牵引传动领域两大主流控制方法之一。与矢量控制技术相比，其拥有迅速的动态响应、简单的控制结构、高鲁棒性等特点，更加适合应用于对转矩响应极为苛刻、并且运行环境复杂多变的电力机车领域，但现行高速机车的控制方法仍以矢量控制技术为主，因此对直接转矩技术的研究有极大的实用意义和经济价值。
　　本文以三电平电力牵引逆变器-电机系统为研究对象，在全速域范围内对直接转矩控制算法展开研究，并参照某型高速列车参数，通过Matlab/Simulink及RT-LAB半实物实验平台对控制算法的可行性与有效性的进行了验证。其具体内容如下:
　　首先，分析了三电平牵引逆变器的运行特点，并对其建立数学模型。在此基础上，进一步分析三电平牵引逆变器中点电位与空间电压矢量的关系，并阐述了三电平逆变器的SVPWM调制算法的特性与实现方法;之后，分析了直接转矩控制算法的运行特点，并对直接转矩控制算法应用于三电平结构逆变器-电机系统时，所面临的逆变器输出电压变化率及中点电位平衡问题进行了阐述;随后阐述了观测器的选择方案，给出了基于六边形磁链轨迹的直接自控制算法的实现方法。
　　其次，针对不同速域区内异步牵引电机的工作特点，设计了一种全速域直接转矩控制方案。为解决低开关频率与谐波的矛盾，采用低、中、高速域分区的多模式控制方式。其中在低速域区为避免传统直接转矩算法起动转矩脉动较大的问题，使牵引电机起动更平稳，采用圆形磁链轨迹的间接定子量控制算法，算法基于预测的思想与SVPWM调制算法;中速域区为解决低开关频率和谐波的矛盾，采用十八、十二边形磁链轨迹的直接自控制算法;高速域区为了进一步扩大牵引电机的调速范围，使牵引电机可以运行于额定转速以上，采用弱磁控制的方式。针对不同磁链轨迹的控制算法间切换时会产生转矩跳变的问题，给出了基于磁链和速度控制策略，以实现各算法间的平稳过渡。之后参照某型高速列车参数，搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，对控制算法进行了仿真验证。
　　最后，搭建了以RT-LAB实时仿真器和TMS320F28335 DSP控制器为核心的硬件在环半实物实验平台，并在此实验平台上对所设计的控制方案的可行性与有效性进行了进一步的验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 三电平电力牵引逆变器-电机系统直接转矩技术研究现状

1．2．1 多电平电力牵引逆变器的研究现状

1．2．2 异步电机直接转矩控制技术研究现状

1．3 本文主要研究内容与组织结构

第2章 三电平逆变器的数学建模与分析

2．1 NPC型三电平逆变器

2．2．1 NPC型三电平逆变器的工作原理

2．2．2 NPC型三电平逆变器的数学模型

2．2 空间电压矢量及其对中点电位的影响

2．3．1 三电平逆变器空间电压矢量

2．3．2 空间电压矢量对中点电位的影响

2．3 三电平逆变器SVPWM调制算法

3．1．1 扇区划分办法

3．1．2 矢量作用规则

第3章 三电平直接转矩控制系统基本理论

3．1 直接转矩控制系统基本理论

3．2．1 直接转矩控制原理

3．2．2 直接转矩控制基本结构

3．2．3 三电平直接转矩控制系统存在的问题

3．2 异步牵引电机定子磁链观测器方案

3．3．1 U-I模型

3．3．2 I-N模型

3．3．3 电压电流闭环磁链观测器

3．3 六边形磁链轨迹直接自控制算法原理与结构分析

第4章 全速域范围内三电平直接转矩控制方案

4．1 不同速度范围内系统工作特点及控制方案

4．2 低速范围三电平直接转矩控制方案

4．3 中速范围三电平直接转矩控制方案

4．4．1 十二边形磁链轨迹直接自控制

4．4．2 十八边形磁链轨迹直接自控制

4．4 高速范围三电平直接转矩控制方案

4．5 不同速度区控制算法的切换策略

4．6 控制方案仿真结果

第5章 牵引逆变器-电机系统直接转矩控制算法半实物实验研究

5．1 引言

5．2 半实物实验平台设计

5．2．1 RT-LAB实时仿真机

5．2．2 TMS320F28335 DSP控制器

5．3 实验结果与分析

结论

致谢

参考文献

附录