交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

前言

　　直接轉(zhuǎn)矩控制理論于20世紀(jì)80年代由德國(guó)學(xué)者M(jìn).Depenbroek和日本學(xué)者I.Takahashi首先針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)提出，90年代由Zhong.L，Rahman M F，Hu Yw（胡育文）等學(xué)者提出永磁同步電動(dòng)機(jī)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(biāo)系中構(gòu)建轉(zhuǎn)矩和磁鏈算法模型，將電動(dòng)機(jī)和逆變器作為一個(gè)整體，利用電壓矢量實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制，沒(méi)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(jiǎn)潔、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)依賴(lài)少、對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化魯棒性好等特點(diǎn)，因而為眾多學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)爭(zhēng)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(dòng)機(jī)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(jìn)一步將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到同步電動(dòng)機(jī)的通用變頻器上，并且ABB公司聲稱(chēng)直接轉(zhuǎn)矩控制將是下一代交流電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)秀的控制方案，宣稱(chēng)以后ABB公司只發(fā)展這個(gè)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(chē)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(jì)、社會(huì)價(jià)值。本書(shū)以三相交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的分析和研究為主要內(nèi)容，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制理論進(jìn)行詳細(xì)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(dòng)及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生提供一本內(nèi)容詳實(shí)而全面的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的參考書(shū)。該書(shū)也可供從事交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工程技術(shù)人員使用?！　”緯?shū)共分8章，內(nèi)容安排如下：第1～3章對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制策略結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀、交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)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(jìn)行了介紹；第4章介紹了異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)原理、系統(tǒng)構(gòu)成、無(wú)位置傳感器技術(shù)等；第5章介紹了電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理、轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流控制方案、轉(zhuǎn)子初始位置觀測(cè)、定子磁鏈觀測(cè)等；第6章介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)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(wú)位置傳感器技術(shù)；第7章詳細(xì)介紹了基于單DSI（TMS320LF2407）的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)和軟件編寫(xiě)，這些硬件和軟件均經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shū)以交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的分析和研究為主要內(nèi)容，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)、電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制理論進(jìn)行詳細(xì)的分析和實(shí)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(shí)踐相結(jié)合，最后給出了經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和算法軟件開(kāi)發(fā)實(shí)例。書(shū)中還給出了有關(guān)控制策略的詳細(xì)仿真建模，便于讀者對(duì)控制算法的深入理解和驗(yàn)證。    本書(shū)適用于電力電子與電力傳動(dòng)及其相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生閱讀，也可供從事交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工程技術(shù)人員使用。

書(shū)籍目錄

電力電子新技術(shù)系列圖書(shū)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(diǎn)   1.4  低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)型交流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制     1.4.1  基于最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量表查詢(xún)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(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制   1.5  同步電動(dòng)機(jī)五位置速度傳感器運(yùn)行及初始轉(zhuǎn)子位置估計(jì)     1.5.1  同步電動(dòng)機(jī)無(wú)位置速度傳感器方式運(yùn)行     1.5.2  同步電動(dòng)機(jī)初始轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法   參考文獻(xiàn) 第2章  交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型   2.1  概述   2.2  交流電動(dòng)機(jī)的綜合矢量概念   2.3  交流電動(dòng)機(jī)中常用的坐標(biāo)系及其變換     2.3.1  αβ0坐標(biāo)系     2.3.2  dq0坐標(biāo)系   2.4  異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型     2.4.1  異步電動(dòng)機(jī)的基本電磁關(guān)系式     2.4.2  電動(dòng)機(jī)輸入功率     2.4.3  電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩     2.4.4  異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型   2.5  同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型     2.5.1  靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型     2.5.2  dq0坐標(biāo)系同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型   參考文獻(xiàn) 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?fù)浼伴_(kāi)關(guān)組合     3.4.2  矩陣式變換器的雙向開(kāi)關(guān)構(gòu)成     3.4.3  矩陣式變換器實(shí)際電路結(jié)構(gòu)   參考文獻(xiàn) 第4章  異步電動(dòng)機(jī)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(duì)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(wèn)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(shí)現(xiàn)   4.7  定子磁鏈觀測(cè)     4.7.1  u-i模型     4.7.2  i-n模型     4.7.3  u-n模型   4.8  無(wú)速度傳感器技術(shù)     4.8.1  轉(zhuǎn)差角頻率計(jì)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(cè)器法     4.8.4  擴(kuò)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(jiǎn)介   參考文獻(xiàn) 第5章  電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性     5.1.3  幾種常見(jiàn)電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證    5.3  阻尼繞組對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)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(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制動(dòng)態(tài)性能影響的仿真     5.3.3  交軸阻尼繞組設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介     5.3.4  交軸阻尼電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)DTC原理討論    5.4  ESM DTC弱磁控制原理及轉(zhuǎn)子勵(lì)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(lì)磁電流控制策略研究     5.4.3  系統(tǒng)仿真研究     5.4.4  實(shí)驗(yàn)論證     ……第6章  永磁同步電動(dòng)機(jī)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(jì)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(jì)算的轉(zhuǎn)子位置速度估計(jì)器[84-88]　　在同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)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(duì)轉(zhuǎn)子位置及速度進(jìn)行正確估計(jì)。參考文獻(xiàn)[84]中提出一種針對(duì)脈寬調(diào)制（PWM）逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁體凸極位置估計(jì)方法，實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)諧波電流，然后計(jì)算電感矩陣，即可估計(jì)出轉(zhuǎn)子位置信息?！　⒖嘉墨I(xiàn)[85，86]中，針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)提出另外一種轉(zhuǎn)子速度位置估計(jì)方法。在傳統(tǒng)PWM控制下，從測(cè)量的電流脈動(dòng)中推導(dǎo)出反電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而估計(jì)出轉(zhuǎn)子位置。由于不需要積分，因而適用低速運(yùn)行。同時(shí)針對(duì)凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)施加兩個(gè)主導(dǎo)電壓和檢測(cè)的電流推算出電感，并從中估計(jì)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的位置角?！　∮捎陔妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)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(jì)算法在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子零速或低速情況下均適用?！　?.5.1.4 基于高頻信號(hào)注入的位置速度估計(jì)器[89-116]　　高頻信號(hào)注入法估計(jì)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)刻轉(zhuǎn)子初始位置的估計(jì)，后來(lái)逐漸發(fā)展到電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速的估計(jì)，可應(yīng)用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)等類(lèi)型交直流電動(dòng)機(jī)中的位置速度估計(jì)。　　高頻信號(hào)注入原理是借助于電動(dòng)機(jī)本身的凸極本質(zhì)引起電動(dòng)機(jī)直／交軸阻抗不同原理，在高頻電壓信號(hào)（或高頻電流信號(hào)）作用下，提取電動(dòng)機(jī)的高頻電流信號(hào)（或高頻電壓信號(hào)），構(gòu)成與轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差有關(guān)的誤差信號(hào)，并送到鎖相環(huán)中估計(jì)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置及速度。　　在高頻信號(hào)注入法中，采用高頻電壓信號(hào)注入法首先由美國(guó)麥迪遜威斯康星大學(xué)電氣及計(jì)算工程系的學(xué)者R.D.Lorenz等人提出，并首先應(yīng)用于解決異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置及速度的估計(jì)，他們把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的槽口深度和寬度制作不同，從而人為地在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上形成dq方向的磁阻不同。

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