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基于矩阵变换器的永磁同步电机调速系统研究

作　者: 张国政
导　师: 刘文良
学　校: 天津科技大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 内埋式永磁同步电机矩阵变换器定子磁场定向单位功率因数控制
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

水磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、运行可靠等特点,在国防、工业、航空、舰船等领域获得了越来越广泛的应用。矢量控制技术的发展可以使永磁同步电机的调速性能接近直流电机的性能指标。矩阵变换器可以使输入/输出电流波形的正弦化,对任意负载输入功率因数为1,没有大体积的直流电容环节,能量双向流动,可实现真正的四象限运行,在交流传动系统中具有良好的应用前景。采用矩阵变换器供电实现永磁同步电机的矢量控制是交流传动系统的一种优化组合,已引起国内外学者的关注。本文从矩阵变换器的拓扑结构出发,对矩阵变换器空间矢量脉宽调制方法进行了理论推导,然后对永磁同步电机矢量控制的基本原理进行了分析,提出了一种基于定子磁场定向的内埋式永磁同步电机单位功率因数控制策略,保证了电机定子电压矢量和定子电流矢量相位相同,电机按照单位功率因数运行。并将其与矩阵变换器相结合,构成了基于矩阵变换器的永磁同步电机调速系统,在发挥永磁同步电机矢量控制系统本身所具有的良好传动性能的基础上,进一步实现了电机的四象限运行,达到了高效与节能的目的。本文利用Matlab/Simulink仿真软件分别搭建了矩阵变换器仿真模型和基于矩阵变换器的永磁同步电机单位功率因数控制系统仿真模型,对矩阵变换器的输入输出性能和基于矩阵变换器的永磁同步电机单位功率因数控制系统的动态性能、四象限运行特性和能量回馈过程进行了分析验证。最后以DSP和FPGA为控制单元,对基于矩阵变换器的永磁同步电机调速系统的控制方案进行了设计。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 课题背景及研究意义  9-10
  1.2 国内外研究动态及发展趋势  10-14
    1.2.1 永磁同步电机调速系统发展概况  10-11
    1.2.2 矩阵变换器发展概况  11-12
    1.2.3 矩阵变换器在永磁同步电机调速系统中的应用现状  12-14
  1.3 本文的研究内容  14-15
2 永磁同步电机用功率变换器  15-26
  2.1 交-直-交变换器  15
  2.2 交-交变换器  15-16
  2.3 矩阵变换器  16-25
    2.3.1 矩阵变换器基本电路模型  16-20
    2.3.2 矩阵变换器空间矢量脉宽调制原  20-24
    2.3.3 矩阵变换器仿真分析  24-25
  2.4 本章小结  25-26
3 永磁同步电机矢量控制基本原理  26-41
  3.1 永磁同步电机转子结构及物理模型  26-27
  3.2 永磁同步电机A-B-C坐标系数学模型  27-28
  3.3 矢量控制中的坐标变换原理  28-31
    3.3.1 矢量控制中的坐标系  28-29
      3.3.1.1 三相静止坐标系  28
      3.3.1.2 两相静止坐标系  28
      3.3.1.3 两相旋转坐标系  28-29
    3.3.2 矢量控制中的坐标变换  29-31
      3.3.2.1 三相静止-两相静止变换  29-30
      3.3.2.2 两相静止-两相旋转变换  30-31
  3.4 永磁同步电机d-q坐标系数学模型  31-33
  3.5 永磁同步电机矢量控制策略分析  33-40
    3.5.1 永磁同步电机i_(sd)=0控制原理  33-34
    3.5.2 永磁同步电机i_(sd)=0控制仿真分析  34-37
    3.5.3 永磁同步电机单位功率因数控制原理  37-38
    3.5.4 永磁同步电机最大转矩电流比控制原理  38-40
  3.6 本章小结  40-41
4 基于定子磁场定向内埋式永磁同步电机单位功率因数控制系统  41-50
  4.1 永磁同步电机矢量控制系统稳态分析  41-44
    4.1.1 面装式永磁同步电机矢量控制系统稳态分析  41-43
    4.1.2 内埋式永磁同步电机矢量控制系统稳态分析  43-44
  4.2 基于定子磁场定向的内埋式永磁同步电机单位功率因数控制策略  44-49
    4.2.1 基于定子磁场定向的单位功率因数控制原理  44-45
    4.2.2 基于定子磁场定向的单位功率因数控制系统构成  45
    4.2.3 基于定子磁场定向的单位功率因数控制系统仿真分析  45-49
  4.3 本章小结  49-50
5 基于矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制系统仿真研究  50-58
  5.1 调速系统起动过程仿真研究  50-51
  5.2 调速系统负载转矩突变过程仿真研究  51-52
  5.3 调速系统加减速过程仿真研究  52-54
  5.4 调速系统正反转过程仿真研究  54-56
  5.5 调速系统能量回馈过程仿真研究  56-57
  5.6 本章小结  57-58
6 基于矩阵变换器的永磁同步电机调速系统设计  58-66
  6.1 系统硬件设计  58-61
    6.1.1 主电路设计  59-60
      6.1.1.1 输入滤波器  59
      6.1.1.2 开关矩阵电路  59-60
      6.1.1.3 箝位电路  60
    6.1.2 控制电路设计  60-61
      6.1.2.1 DSP外围电路  60-61
      6.1.2.2 FPGA译码电路  61
  6.2 系统软件设计  61-65
    6.2.1 DSP软件设计  61-64
      6.2.1.1 DSP软件主程序设计  62
      6.2.1.2 DSP软件中断子程序设计  62
      6.2.1.3 PI调节器设计  62-64
      6.2.1.4 电机转速与位置计算  64
      6.2.1.5 坐标变换  64
    6.2.2 FPGA软件设计  64-65
  6.3 本章小结  65-66
7 总结  66-67
8 展望  67-68
9 参考文献  68-74
10 论文发表情况  74-75
11 致谢  75

基于矩阵变换器的永磁同步电机调速系统研究

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