交流電動機直接轉矩控制

前言

　　直接轉矩控制理論于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矩控制理論。直接轉矩控制直接在定子靜止坐標系中構建轉矩和磁鏈算法模型，將電動機和逆變器作為一個整體，利用電壓矢量實現(xiàn)電磁轉矩和磁鏈的控制，沒有電流閉環(huán)結構。所以直接轉矩控制具有控制結構簡潔、轉矩動態(tài)響應快、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爭相研究。瑞士ABB公司早在1994年就將直接轉矩控制技術成功應用到異步電動機的通用變頻器上，例如ABB公司生產的ACS600、ACS800等變頻器。隨后進一步將該項技術應用到同步電動機的通用變頻器上，并且ABB公司聲稱直接轉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)。直接轉矩控制不僅在通用變頻器上獲得了成功應用，在電車牽引等軌道交通系統(tǒng)中也獲得了成功應用，創(chuàng)造了巨大的經濟、社會價值。本書以三相交流電動機直接轉矩控制技術的分析和研究為主要內容，對異步電動機、同步電動機的直接轉矩控制理論進行詳細研究，將基本理論與最新發(fā)展技術相結合，向從事電力電子與電力傳動及其相關專業(yè)師生提供一本內容詳實而全面的直接轉矩控制技術的參考書。該書也可供從事交流電動機直接轉矩控制系統(tǒng)開發(fā)的工程技術人員使用?！　”緯卜?章，內容安排如下：第1～3章對直接轉矩控制策略結構、特點、發(fā)展現(xiàn)狀、交流電動機的數(shù)學模型、直接轉矩控制系統(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矩控制技術原理、系統(tǒng)構成、無位置傳感器技術等；第5章介紹了電勵磁同步電動機直接轉矩控制原理、轉子勵磁電流控制方案、轉子初始位置觀測、定子磁鏈觀測等；第6章介紹了永磁同步電動機直接轉矩控制原理、弱磁控制技術、每安培最大轉矩控制策略、滑模變結構控制、空間矢量調制型直接轉矩控制及無位置傳感器技術；第7章詳細介紹了基于單DSI（TMS320LF2407）的直接轉矩控制系統(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矩控制原理及仿真。

內容概要

本書以交流電動機直接轉矩控制技術的分析和研究為主要內容，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)展技術相結合，將理論分析和實踐相結合，最后給出了經過實踐驗證的直接轉矩控制系統(tǒng)硬件設計和算法軟件開發(fā)實例。書中還給出了有關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專業(yè)師生閱讀，也可供從事交流電動機直接轉矩控制系統(tǒng)開發(fā)的工程技術人員使用。

書籍目錄

電力電子新技術系列圖書序言 前言 第1章  緒論   1.1  直接轉矩控制技術的產生   1.2  直接轉矩控制策略的兩種基本形式   1.3  直接轉矩控制的主要特點   1.4  低轉矩脈動型交流電動機直接轉矩控制     1.4.1  基于最優(yōu)開關矢量表查詢方式的直接轉矩控制     1.4.2  基于空間電壓矢量的連續(xù)調制型直接轉矩控制     1.4.3  現(xiàn)代控制理論與空間電壓矢量調制的結合     1.4.4  多相電動機的直接轉矩控制   1.5  同步電動機五位置速度傳感器運行及初始轉子位置估計     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系式     2.4.2  電動機輸入功率     2.4.3  電動機的電磁轉矩     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組合     3.4.2  矩陣式變換器的雙向開關構成     3.4.3  矩陣式變換器實際電路結構   參考文獻 第4章  異步電動機直接轉矩控制   4.1  概述   4.2  轉矩控制本質   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)的基本結構   4.4  DSC系統(tǒng)的基本組成     4.4.1  磁鏈自控制       4.4.2  轉矩調節(jié)     4.4.3  磁鏈調節(jié)   4.5  DSC低速范圍內的調節(jié)方案     4.5.1  區(qū)段的電壓狀態(tài)選擇     4.5.2  低速范圍內轉矩與磁鏈調節(jié)的協(xié)調     4.5.3  使用-120°電壓矢量的磁鏈調節(jié)   4.6  弱磁范圍內的控制策略     4.6.1  恒磁通控制問題     4.6.2  弱磁調節(jié)特性     4.6.3  弱磁范圍內轉矩調節(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     4.8.1  轉差角頻率計算法     4.8.2  模型參考自適應系統(tǒng)(MRAS)     4.8.3  轉速自適應磁鏈觀測器法     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矩控制技術   5.1  概述     5.1.1  研究的背景及意義     5.1.2  同步電動機結構的特殊性     5.1.3  幾種常見電勵磁同步電動機傳動系統(tǒng)   5.2  直接轉矩控制基本理論及控制方案     5.2.1  轉矩控制原理     5.2.2  電壓矢量的應用     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  電磁轉矩分析     5.3.2  阻尼繞組對直接轉矩控制動態(tài)性能影響的仿真     5.3.3  交軸阻尼繞組設計簡介     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矩控制技術第7章  直接轉矩控制硬件及軟件系統(tǒng)設計第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 基于電感計算的轉子位置速度估計器[84-88]　　在同步電動機轉子旋轉過程中，定子繞組每相電感是隨轉子位置不同而變化的，利用電感變化和轉子位置之間的關系，既可對轉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出反電動勢，進而估計出轉子位置。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，通過施加兩個主導電壓和檢測的電流推算出電感，并從中估計出電動機轉子靜止時的位置角。　　由于電動機轉子無論在靜止或旋轉狀態(tài)下，電感與轉子位置有著確定的關系，因而基于電感計算法在電動機轉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子位置及轉速始于1995年前后[112]，起初用于凸極同步電動機起動時刻轉子初始位置的估計，后來逐漸發(fā)展到電動機旋轉狀態(tài)的轉子位置及轉速的估計，可應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），構成與轉子位置估計誤差有關的誤差信號，并送到鎖相環(huán)中估計出電動機轉子位置及速度?！　≡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，并首先應用于解決異步電動機轉子位置及速度的估計，他們把電動機轉子上的槽口深度和寬度制作不同，從而人為地在電動機轉子上形成dq方向的磁阻不同。

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