交流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制

前言

　　直接轉(zhuǎn)矩控制理論于20世紀80年代由德國學者M.Depenbroek和日本學者I.Takahashi首先針對異步電動機提出，90年代由Zhong.L，Rahman M F，Hu Yw（胡育文）等學者提出永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制理論。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子靜止坐標系中構(gòu)建轉(zhuǎn)矩和磁鏈算法模型，將電動機和逆變器作為一個整體，利用電壓矢量實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制，沒有電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)。所以直接轉(zhuǎn)矩控制具有控制結(jié)構(gòu)簡潔、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快、對電動機參數(shù)依賴少、對電動機參數(shù)變化魯棒性好等特點，因而為眾多學者及研究機構(gòu)爭相研究。瑞士ABB公司早在1994年就將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)成功應(yīng)用到異步電動機的通用變頻器上，例如ABB公司生產(chǎn)的ACS600、ACS800等變頻器。隨后進一步將該項技術(shù)應(yīng)用到同步電動機的通用變頻器上，并且ABB公司聲稱直接轉(zhuǎn)矩控制將是下一代交流電動機的最優(yōu)秀的控制方案，宣稱以后ABB公司只發(fā)展這個系統(tǒng)。直接轉(zhuǎn)矩控制不僅在通用變頻器上獲得了成功應(yīng)用，在電車牽引等軌道交通系統(tǒng)中也獲得了成功應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟、社會價值。本書以三相交流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的分析和研究為主要內(nèi)容，對異步電動機、同步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制理論進行詳細研究，將基本理論與最新發(fā)展技術(shù)相結(jié)合，向從事電力電子與電力傳動及其相關(guān)專業(yè)師生提供一本內(nèi)容詳實而全面的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的參考書。該書也可供從事交流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)開發(fā)的工程技術(shù)人員使用。　　本書共分8章，內(nèi)容安排如下：第1～3章對直接轉(zhuǎn)矩控制策略結(jié)構(gòu)、特點、發(fā)展現(xiàn)狀、交流電動機的數(shù)學模型、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中常用的電力電子變換器原理進行了介紹；第4章介紹了異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)原理、系統(tǒng)構(gòu)成、無位置傳感器技術(shù)等；第5章介紹了電勵磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制原理、轉(zhuǎn)子勵磁電流控制方案、轉(zhuǎn)子初始位置觀測、定子磁鏈觀測等；第6章介紹了永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制原理、弱磁控制技術(shù)、每安培最大轉(zhuǎn)矩控制策略、滑模變結(jié)構(gòu)控制、空間矢量調(diào)制型直接轉(zhuǎn)矩控制及無位置傳感器技術(shù)；第7章詳細介紹了基于單DSI（TMS320LF2407）的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件開發(fā)和軟件編寫，這些硬件和軟件均經(jīng)過實驗論證；第8章介紹了基于多電平電壓型變換器和矩陣變換器直接轉(zhuǎn)矩控制原理及仿真。

內(nèi)容概要

本書以交流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的分析和研究為主要內(nèi)容，對異步電動機、電勵磁同步電動機、永磁同步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制理論進行詳細的分析和實踐，將基本理論與最新發(fā)展技術(shù)相結(jié)合，將理論分析和實踐相結(jié)合，最后給出了經(jīng)過實踐驗證的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件設(shè)計和算法軟件開發(fā)實例。書中還給出了有關(guān)控制策略的詳細仿真建模，便于讀者對控制算法的深入理解和驗證。    本書適用于電力電子與電力傳動及其相關(guān)專業(yè)師生閱讀，也可供從事交流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)開發(fā)的工程技術(shù)人員使用。

書籍目錄

電力電子新技術(shù)系列圖書序言 前言 第1章  緒論   1.1  直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的產(chǎn)生   1.2  直接轉(zhuǎn)矩控制策略的兩種基本形式   1.3  直接轉(zhuǎn)矩控制的主要特點   1.4  低轉(zhuǎn)矩脈動型交流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制     1.4.1  基于最優(yōu)開關(guān)矢量表查詢方式的直接轉(zhuǎn)矩控制     1.4.2  基于空間電壓矢量的連續(xù)調(diào)制型直接轉(zhuǎn)矩控制     1.4.3  現(xiàn)代控制理論與空間電壓矢量調(diào)制的結(jié)合     1.4.4  多相電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制   1.5  同步電動機五位置速度傳感器運行及初始轉(zhuǎn)子位置估計     1.5.1  同步電動機無位置速度傳感器方式運行     1.5.2  同步電動機初始轉(zhuǎn)子位置估計方法   參考文獻 第2章  交流電動機的數(shù)學模型   2.1  概述   2.2  交流電動機的綜合矢量概念   2.3  交流電動機中常用的坐標系及其變換     2.3.1  αβ0坐標系     2.3.2  dq0坐標系   2.4  異步電動機的數(shù)學模型     2.4.1  異步電動機的基本電磁關(guān)系式     2.4.2  電動機輸入功率     2.4.3  電動機的電磁轉(zhuǎn)矩     2.4.4  異步電動機的數(shù)學模型   2.5  同步電動機的數(shù)學模型     2.5.1  靜止坐標系中的數(shù)學模型     2.5.2  dq0坐標系同步電動機的數(shù)學模型   參考文獻 第3章  直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中常用電力電子功率變換器   3.1  概述   3.2  交-直-交電壓型逆變器     3.2.1  電路構(gòu)成及基本工作原理     3.2.2  電壓矢量   3.3  三電平逆變器     3.3.1  三電平逆變器工作原理     3.3.2  逆變器工作模式切換     3.3.3  逆變器輸出電壓波形     3.3.4  逆變器輸出電壓矢量   3.4  矩陣式變換器     3.4.1  矩陣式變換器的基本拓撲及開關(guān)組合     3.4.2  矩陣式變換器的雙向開關(guān)構(gòu)成     3.4.3  矩陣式變換器實際電路結(jié)構(gòu)   參考文獻 第4章  異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制   4.1  概述   4.2  轉(zhuǎn)矩控制本質(zhì)   4.3  DSC基本原理     4.3.1  六邊形定子磁鏈軌跡控制     4.3.2  電壓矢量對轉(zhuǎn)矩的控制     4.3.3  電壓矢量的正確選擇     4.3.4  DSC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)   4.4  DSC系統(tǒng)的基本組成     4.4.1  磁鏈自控制       4.4.2  轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)     4.4.3  磁鏈調(diào)節(jié)   4.5  DSC低速范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)方案     4.5.1  區(qū)段的電壓狀態(tài)選擇     4.5.2  低速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩與磁鏈調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)     4.5.3  使用-120°電壓矢量的磁鏈調(diào)節(jié)   4.6  弱磁范圍內(nèi)的控制策略     4.6.1  恒磁通控制問題     4.6.2  弱磁調(diào)節(jié)特性     4.6.3  弱磁范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方法     4.6.4  弱磁功能實現(xiàn)   4.7  定子磁鏈觀測     4.7.1  u-i模型     4.7.2  i-n模型     4.7.3  u-n模型   4.8  無速度傳感器技術(shù)     4.8.1  轉(zhuǎn)差角頻率計算法     4.8.2  模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)     4.8.3  轉(zhuǎn)速自適應(yīng)磁鏈觀測器法     4.8.4  擴展卡爾曼濾波器法   4.9  DSC系統(tǒng)建模仿真研究     4.9.1  系統(tǒng)建模研究     4.9.2  系統(tǒng)仿真研究   4.10  圓形磁鏈軌跡DTC系統(tǒng)簡介   參考文獻 第5章  電勵磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)   5.1  概述     5.1.1  研究的背景及意義     5.1.2  同步電動機結(jié)構(gòu)的特殊性     5.1.3  幾種常見電勵磁同步電動機傳動系統(tǒng)   5.2  直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論及控制方案     5.2.1  轉(zhuǎn)矩控制原理     5.2.2  電壓矢量的應(yīng)用     5.2.3  基本DTC系統(tǒng)的仿真研究     5.2.4  基本DTC系統(tǒng)的實驗驗證    5.3  阻尼繞組對直接轉(zhuǎn)矩控制電勵磁同步電動機動態(tài)行為的影響     5.3.1  電磁轉(zhuǎn)矩分析     5.3.2  阻尼繞組對直接轉(zhuǎn)矩控制動態(tài)性能影響的仿真     5.3.3  交軸阻尼繞組設(shè)計簡介     5.3.4  交軸阻尼電勵磁同步電動機DTC原理討論    5.4  ESM DTC弱磁控制原理及轉(zhuǎn)子勵磁電流控制策略的研究     5.4.1  ESM DTC系統(tǒng)弱磁控制原理     5.4.2  轉(zhuǎn)子勵磁電流控制策略研究     5.4.3  系統(tǒng)仿真研究     5.4.4  實驗論證     ……第6章  永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)第7章  直接轉(zhuǎn)矩控制硬件及軟件系統(tǒng)設(shè)計第8章  基于新型變換器供電的DTC系統(tǒng)附錄

章節(jié)摘錄

　　1.5.1.3 基于電感計算的轉(zhuǎn)子位置速度估計器[84-88]　　在同步電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，定子繞組每相電感是隨轉(zhuǎn)子位置不同而變化的，利用電感變化和轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系，既可對轉(zhuǎn)子位置及速度進行正確估計。參考文獻[84]中提出一種針對脈寬調(diào)制（PWM）逆變器供電的永磁同步電動機永磁體凸極位置估計方法，實時檢測電動機諧波電流，然后計算電感矩陣，即可估計出轉(zhuǎn)子位置信息?！　⒖嘉墨I[85，86]中，針對永磁同步電動機提出另外一種轉(zhuǎn)子速度位置估計方法。在傳統(tǒng)PWM控制下，從測量的電流脈動中推導(dǎo)出反電動勢，進而估計出轉(zhuǎn)子位置。由于不需要積分，因而適用低速運行。同時針對凸極式永磁同步電動機，通過施加兩個主導(dǎo)電壓和檢測的電流推算出電感，并從中估計出電動機轉(zhuǎn)子靜止時的位置角?！　∮捎陔妱訖C轉(zhuǎn)子無論在靜止或旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電感與轉(zhuǎn)子位置有著確定的關(guān)系，因而基于電感計算法在電動機轉(zhuǎn)子零速或低速情況下均適用?！　?.5.1.4 基于高頻信號注入的位置速度估計器[89-116]　　高頻信號注入法估計電動機轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速始于1995年前后[112]，起初用于凸極同步電動機起動時刻轉(zhuǎn)子初始位置的估計，后來逐漸發(fā)展到電動機旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速的估計，可應(yīng)用于無刷直流電動機、永磁同步電動機、異步電動機等類型交直流電動機中的位置速度估計?！　「哳l信號注入原理是借助于電動機本身的凸極本質(zhì)引起電動機直／交軸阻抗不同原理，在高頻電壓信號（或高頻電流信號）作用下，提取電動機的高頻電流信號（或高頻電壓信號），構(gòu)成與轉(zhuǎn)子位置估計誤差有關(guān)的誤差信號，并送到鎖相環(huán)中估計出電動機轉(zhuǎn)子位置及速度?！　≡诟哳l信號注入法中，采用高頻電壓信號注入法首先由美國麥迪遜威斯康星大學電氣及計算工程系的學者R.D.Lorenz等人提出，并首先應(yīng)用于解決異步電動機轉(zhuǎn)子位置及速度的估計，他們把電動機轉(zhuǎn)子上的槽口深度和寬度制作不同，從而人為地在電動機轉(zhuǎn)子上形成dq方向的磁阻不同。

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