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基于DSP的无刷双馈电机直接转矩控制系统的研究与实现

作　者: 周赞强
导　师: 张爱玲
学　校: 太原理工大学
专　业: 电机与电器
关键词: 无刷双馈电机直接转矩控制功率因数磁链观测转矩观测
分类号: TM34
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

无刷双馈电机(Brushless doubly-fed machine简称:BDFM)是一种结构简单、异同步通用的新型电机,不同的运行状态可以通过调节控制绕组电压的频率、幅值、相序实现。它可以在无刷的情况下实现双馈运行,提高了系统的可靠性。无刷双馈电机既可作为电动机应用于交流调速传动系统,也可作发电机应用于变速恒频恒压发电系统,具有变频器容量小,独立调节有功功率和无功功率,控制功率因数等特点,在风机和泵类机械的节能调速系统及变速恒频的水力和风力发电系统中具有广阔的应用前景。本文对无刷双馈电机直接转矩控制系统的磁链观测、转矩观测、功率因数、稳态特性、暂态特性进行了研究。完成的主要工作如下:1、磁链观测是无刷双馈电机直接转矩控制系统的关键,直接影响到控制策略的成败。本文在深入研究反馈补偿高通滤波u-i模型的基础上,进行了改进。实现时,反馈补偿环节的截止频率不同于高通环节,较为有效地解决了u-i模型在低频下磁链观测不准的问题,实验结果表明该方法取得了较好的控制效果。2、转矩观测同样是直接转矩系统的关键,本文提出了一种在α、β静止坐标系下的转矩观测方法,相对于目前文献中采用的dqo转子速坐标系下的转矩观测方法,避免了旋转坐标变换,有效地减少了程序计算量,提高了控制精度,实验结果表明在超同步及亚同步运行状态都取得了较好的控制效果。3、在继承本课题组研究成果的基础上,实现了基于直接转矩控制的无刷双馈电机的调速。实验结果表明,和开环控制系统相比,调速范围扩大,抗扰能力提高,且保持了直接转矩控制方法动态响应快的优点。4、在实现无刷双馈电机直接转矩控制的基础上,对无刷双馈电机在不同运行状态下的功率因数特性进行了仿真和实验研究。对控制绕组在不同磁链给定及负载等变化时的功率因数进行了大量实验,实验结果表明,调节磁链给定值既能调节功率因数的大小也能调节其无功功率性质。5、对无刷双馈电机在双馈运行状态下的启动特性进行了探索性研究。对于异步启动、然后牵入双馈运行以及双馈启动两种启动方法,研究了控制绕组磁链给定对上述两种启动方法的影响。仿真和实验表明,不同控制绕组磁链给定对两种启动过程都有影响,而且在同一实验条件下,不同时刻从异步牵入双馈的暂态过程不一样。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-17
  1.1 引言  11
  1.2 无刷双馈电机（BDFM）的发展及应用  11-13
  1.3 无刷双馈电机国内外研究现状  13-14
  1.4 MATLAB/SIMULINK 仿真软件简介  14-15
  1.5 本文的研究内容  15-17
第二章无刷双馈电机的数学模型及工作原理  17-29
  2.1 无刷双馈电机的基本结构  17-20
    2.1.1 定子绕组结构  17-18
    2.1.2 转子的基本结构类型  18-19
    2.1.3 转子绕组结构  19-20
  2.2 无刷双馈电机的数学模型  20-25
    2.2.1 无刷双馈电机多回路模型  20-21
    2.2.2 无刷双馈电机d-q 轴模型  21-25
      2.2.2.1 变换矩阵  21-22
      2.2.2.2 转子速d-q 轴电压方程  22-24
      2.2.2.3 转矩方程  24
      2.2.2.4 磁链方程  24-25
  2.3 无刷双馈电机的运行方式  25-28
    2.3.1 异步运行方式  25
    2.3.2 同步运行方式  25-26
    2.3.3 双馈运行方式  26-27
    2.3.4 发电运行方式  27-28
  2.4 小结  28-29
第三章无刷双馈电机的直接转矩控制  29-49
  3.1 直接转矩控制原理  29-36
    3.1.1 异步电机直接转矩控制原理  29-34
    3.1.2 无刷双馈电机直接转矩控制系统  34-36
  3.2 磁链观测的研究  36-43
    3.2.1 纯积分模型的优缺点  36-38
    3.2.2 高通滤波法(HPF)  38-40
    3.2.3 输出反馈补偿高通滤波法（闭环方法）  40-41
    3.2.4 输出反馈补偿高通滤波法的改进  41-43
  3.3 转矩观测的研究  43-47
    3.3.1 三绕组电流实现转矩观测（方法一）  43-44
    3.3.2 三绕组电流实现转矩观测的改进（方法二）  44-45
    3.3.3 转子速坐标系磁链、电流计算转矩（方法三）  45
    3.3.4 静止坐标系磁链、电流计算转矩（方法四）  45-46
    3.3.5 转矩观测的仿真  46-47
  3.4 无刷双馈电机直接转矩控制系统仿真  47-48
  3.5 小结  48-49
第四章无刷双馈电机直接转矩控制系统功率绕组功率因数研究  49-57
  4.1 磁链控制规律研究  49-50
    4.1.1 矩角特性  49-50
  4.2 无刷双馈电机直接转矩控制系统的仿真模型  50-51
  4.3 控制绕组磁链对功率因数的影响  51-54
    4.3.1 亚同步磁链给定对功率因数的影响  51-53
    4.3.2 超同步磁链给定对功率因数的影响  53-54
  4.4 负载变化对功率因数的影响  54-55
    4.4.1 亚同步负载变化和功率因数的关系  54-55
    4.4.2 超同步负载变化和功率因数的关系  55
  4.5 磁链给定对系统过载能力的影响  55-56
  4.6 小结  56-57
第五章无刷双馈电机直接转矩控制系统启动过程的研究  57-66
  5.1 磁链给定对双馈启动过程的影响  57-62
    5.1.1 牵入双馈运行的磁链给定  57-58
    5.1.2 磁链给定对双馈启动性能的影响  58-62
      5.1.2.1 不同磁链给定对电机响应速度的影响  58-59
      5.1.2.2 不同磁链给定对电机带载启动能力的影响  59-62
      5.1.2.3 不同磁链给定对电机启动电流的影响  62
  5.2 控制绕组磁链给定对异步牵入双馈暂态过程的影响  62-65
    5.2.1 异步运行牵入亚同步的暂态过程  62-64
    5.2.2 异步运行牵入超同步的暂态过程  64-65
  5.3 小结  65-66
第六章无刷双馈电机直接转矩控制的实现  66-96
  6.1 无刷双馈电机直接转矩控制系统的硬件组成  66-68
    6.1.1 系统主回路  67
    6.1.2 DSP 控制回路  67-68
    6.1.3 保护电路  68
    6.1.4 信号采集电路  68
  6.2 无刷双馈电机直接转矩控制系统各环节实现方法  68-78
    6.2.1 控制算法的实现以及PWM 信号的产生  69-70
    6.2.2 α、β轴上的电流、电压分量计算  70-71
    6.2.3 控制绕组端电压重构  71-73
    6.2.4 磁链观测的实现  73
    6.2.5 电磁转矩观测的实现  73
    6.2.6 数字测速的实现  73-74
    6.2.7 速度PI 调节器  74-75
    6.2.8 扇区划分  75-76
    6.2.9 磁链、转矩滞环实现  76
    6.2.10 开关状态表的实现  76-78
  6.3 实验调试与结果  78-96
    6.3.1 磁链观测实验  79-81
      6.3.1.1 高频试验  79-80
      6.3.1.2 低频试验  80-81
    6.3.2 调速性能试验与结果  81-84
      6.3.2.1 空载调速  81-82
      6.3.2.2 带载调速  82-84
    6.3.3 抗扰性能试验  84-89
      6.3.3.1 亚同步抗扰实验  84-87
      6.3.3.2 超同步抗扰实验  87-89
    6.3.4 功率因数实验  89-93
      6.3.4.1 功率因数  90-91
      6.3.4.2 运行效率  91-93
    6.3.5 异步牵入双馈实验  93-96
      6.3.5.1 牵入双馈的磁链给定值  93
      6.3.5.2 同一磁链给定不同时刻牵入双馈的暂态过程  93-96
第七章全文总结  96-98
  7.1 本文完成的主要工作  96-97
  7.2 本文工作的不足和下一步研究展望  97-98
参考文献  98-103
附录  103-108
  附录 1 基值的选取及标幺值计算  103-104
  附录 2 符号说明  104-105
  附录 3 无刷双馈电机转子结构图  105
  附录 4 无刷双馈电机定子结构图  105-106
  附录 5 无刷双馈电机样机图  106
  附录 6 交流调速实验平台控制回路  106-107
  附录 7 交流调速实验平台主回路  107-108
致谢  108-109
作者在攻读硕士学位期间的研究成果  109

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