双馈直线电机控制系统的研究与实现

摘要

轨道交通相对于地面交通来说，很大程度上分担了地面交通的压力，不仅如此，轨道交通的准点率及安全性均优于其他交通，所以近年来人们出行方式更加青睐轨道交通。直线电机驱动的轨道交通克服了旋转电机驱动方式下固有的中间传动机构，更加环保、低噪、经济及转弯半径小等特点，直线电机在地铁和磁浮列车上均有运用。　　目前，运用在轨道交通的直线电机为直线感应电机或直线同步电机，本文研究的双馈直线电机是直线电机中的新宠，特有的结构使其可以实现异步、同步和双馈运行，虽然还未运用在实际工程中，但以它独特的性能，具有较高的潜在研究价值。　　论文首先介绍了双馈直线电机的结构特点及工作原理，依据双馈直线电机的演变过程及电机统一理论，类比绕线式异步电机推导了双馈直线电机在三相静止坐标系下的数学模型，进一步基于坐标变换原则推导了两相旋转坐标系下的数学模型。　　其次选取定子磁链作为定向矢量，介绍了双馈直线电机基于定子磁链定向的矢量控制策略，以速度与无功作为外环，电流作为内环建立闭环控制系统，在普通电压型定子磁链观测模型的基础上，介绍了具有磁链幅值与相位补偿的改进型磁链观测模型。在Matlab/Simulink环境下搭建了模型并进行仿真，首先，确定了改进型磁链观测模型中截止频率的大小，然后分别对速度响应与无功响应做了仿真验证，仿真结果表明速度与无功响应可跟随指令值且仿真结果与理论计算结果符合。此外，无功响应表明可通过控制动子侧励磁电流间接控制定子侧励磁电流，从而改善定子侧的功率因数。同时，通过对比可知改进型磁链观测模型的仿真结果幅值波动更小，响应更快，观测效果更好。　　最后搭建了以DSP28335为控制器的电机实验平台，给出了主电路、驱动电路、信号检测与调理电路及控制电路的设计方案，并分析了电路中重要器件参数的选择依据，还给出了控制器软件设计流程图及转子初始定位方法，对实验平台的硬件与软件进行联合调试，通过实验结果分析验证了所设计电机控制系统的可行性。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 直线电机研究概况

1.2.2 双馈直线电机研究概况

1.2.3 双馈控制系统研究概况

1.3 直线电机在轨道交通的应用概况

1.4 本文主要内容

第2章双馈直线电机原理及数学模型

2.1 双馈直线电机结构及工作原理

2.1.1 双馈直线电机结构与特点

2.1.2 双馈直线电机工作原理

2.2 双馈直线电机的数学模型

2.2.1 abc三相静止坐标系下的数学模型

2.2.2 坐标变换

2.2.3 dq旋转坐标系下的数学模型

2.3 本章小结

第3章双馈直线电机控制策略及仿真分析

3.1 定向矢量的选择

3.2 双馈直线电机定子磁链定向控制

3.2.1 定子磁链定向下的dq坐标系

3.2.2 控制环的建立

3.2.3 定子磁链观测

3.2.4 SVPWM 控制

3.2.5 定子磁链定向控制框图

3.3 双馈直线电机定子磁链定向的仿真分析

3.3.1 仿真搭建

3.3.2 截止频率选择

3.3.3 速度响应

3.3.4 无功响应

3.4 本章小结

第4章电机控制系统实验平台设计

4.1 实验平台整体组成介绍

4.2 主电路设计

4.2.1 实验平台启动电路

4.2.2 整流电路

4.2.3 直流滤波与限流单元

4.2.4 制动电阻与制动单元

4.2.5 逆变电路

4.2.6 IGBT保护电路

4.3 驱动电路设计

4.4 信号检测与调理电路设计

4.4.1 相电流检测与调理电路

4.4.2 定子相电压检测与调理电路

4.4.3 直流母线电压检测与调理电路

4.4.4 转速检测电路

4.5 控制电路设计

4.6 控制器软件设计

4.6.1 主程序设计

4.6.2 中断程序设计

4.6.3 转子速度及位置检测

4.6.4 SVPWM 程序设计

4.7 本章小结

第5章实验结果及分析

5.1 实验平台联调

5.2 实验结果分析

5.3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文