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基于扰动模型的矩阵变换器—永磁同步电机系统滑模控制

作　者: 刘立志
导　师: 史婷娜
学　校: 天津大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 矩阵变换器 永磁同步电机 滑模变结构控制 电网扰动
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


矩阵变换器(MC)是一种交-交功率变换装置,具有能量可双向流动、输入输出电流为正弦、输入电流畸变率(THD)低、无中间直流储能环节、功率因数为1等优点,很适合用于驱动永磁同步电机,组成矩阵变换器-永磁同步电机驱动系统(MC-PMSM)。但由于矩阵变换器直接变换的特性,在采用空间矢量调制策略时,电网电压扰动会直接影响矩阵变换器的输出。电压不平衡是一种常见的电网电压扰动,会导致MC的输出电压和电流中含有低次谐波,对MC馈电的电机驱动系统,将造成电机转矩、转速出现波动;电机本身参数摄动也会影响电流环响应,进而影响电机转矩、转速输出。论文针对MC-PMSM存在的上述问题,深入研究了抑制电网电压扰动对系统输出影响的控制策略,提出在MC-PMSM驱动系统电流控制器设计中引入滑模变结构控制器(SMC),取代传统的前馈补偿控制与PI控制结合的方式,以提高系统对电网扰动和电机参数摄动的鲁棒性,简化系统控制结构,节省成本。论文首先介绍PMSM矢量控制系统原理及具体实现。在MC的空间矢量调制的基础上,分析电网电压不平衡对MC输出的影响,将其转化至永磁同步电机dq坐标系下,视为电机模型中的一种扰动,以建立电压扰动和电机参数摄动下的永磁同步电机解耦数学模型(扰动模型)。针对这一模型,采用趋近律的方法设计积分型滑模控制器,根据模型中扰动量的上限值,合理选取控制器参数。为了验证滑模变结构控制的可行性,运用数值仿真的方法,对这种控制策略下电机的运行性能进行分析,仿真结果表明,采用滑模控制的系统运行良好,可以有效地抑制参数摄动和电网扰动对系统电流环的影响。最后,在理论研究和仿真分析的基础上搭建了基于交-直-交变频器的PMSM矢量控制系统,与实验室自行研制的MC实验平台相结合,加入滑模变结构控制算法,完成了对理论分析的验证。实验结果表明,采用SMC的MC-PMSM系统电流环对于电网电压扰动具有较好的抑制作用,有效地降低了电网电压不平衡导致的电机负载电流中二倍频谐波含量,从而避免了这种扰动对电机输出电磁转矩和转速的影响,具有较强的工程实用性,为MC-PMSM系统的实用化做了有益的探索。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-17
  1.1 永磁同步电机及其驱动器的国内外研究现状  8-10
  1.2 矩阵变换器-永磁同步电机驱动系统的研究动态  10-15
    1.2.1 矩阵变换器的发展概况  10-11
    1.2.2 矩阵变换器-永磁同步电机驱动系统的国内外研究热点  11-13
    1.2.3 矩阵变换器-永磁同步电机驱动系统的特点  13-14
    1.2.4 论文的选题及研究意义  14-15
  1.3 论文主要内容  15-17
第二章 基于交-直-交变频器的永磁同步电机矢量控制系统  17-36
  2.1 永磁同步电机数学模型  17-25
    2.1.1 永磁同步电机在ABC坐标系下的数学模型  17-19
    2.1.2 坐标变换理论  19-23
    2.1.3 永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型  23-25
  2.2 永磁同步电机矢量控制原理  25
  2.3 空间电压矢量调制  25-28
  2.4 系统实现  28-36
    2.4.1 系统硬件实现  29-32
    2.4.2 系统软件实现  32-34
    2.4.3 实验结果  34-36
第三章 基于矩阵变换器的永磁同步电机矢量控制系统  36-56
  3.1 矩阵变换器的空间矢量调制原理  36-44
    3.1.1 矩阵变换器主电路  36-37
    3.1.2 空间矢量调制原理概述  37-38
    3.1.3 输出线电压空间矢量调制  38-40
    3.1.4 输入相电流空间矢量调制  40-41
    3.1.5 矩阵变换器的空间矢量调制  41-42
    3.1.6 换流策略  42-43
    3.1.7 小结  43-44
  3.2 系统仿真模型的建立  44-48
    3.2.1 电网电压正常时系统运行性能  45-46
    3.2.2 电网电压不平衡时系统的运行性能  46-48
    3.2.3 参数摄动下系统电流环性能  48
  3.3 MC-PMSM系统实验平台介绍  48-54
    3.3.1 系统硬件设计  49-53
    3.3.2 系统软件设计  53-54
  3.4 实验结果  54-56
第四章 电网电压不平衡时系统控制策略研究  56-69
  4.1 电网电压不平衡对MC输出的影响  56-58
  4.2 电网电压不平衡对PMSM输出的影响  58-59
  4.3 系统电流环抗扰控制器设计  59-69
    4.3.1 PMSM电流环的误差模型  60
    4.3.2 滑模电流控制器设计  60-62
    4.3.3 仿真结果  62-63
    4.3.4 电机参数摄动下系统性能的仿真研究  63-64
    4.3.5 电网电压扰动下系统性能的实验研究  64-69
第五章 总结与展望  69-70
参考文献  70-76
发表论文和参加科研情况说明  76-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 交流电机 > 同步电机
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