永磁同步电机驱动控制系统容错技术研究

发布时间：2017-10-25 11:42

  本文关键词：永磁同步电机驱动控制系统容错技术研究

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【摘要】：永磁电动机体积小、效率高,适合高速运行,在军事、工业、生活等领域被广泛运用,其驱动系统稳定可控对整套设备显得至关重要。永磁同步电机常用的控制方法有两种:磁场定向控制(FOC)与直接转矩控制(DTC)。两者的共同点是都利用空间矢量控制来进行机电能量的转换。传统直接转矩控制利用滞环控制器对空间矢量进行选择,磁场定向控制一般使用空间矢量调制(SVPWM)。本文首先介绍传统的直接转矩控制方法,并在MATLAB中构造控制系统。其次,引入预期电压的直接转矩控制,利用空间矢量调制(SVPWM)代替滞环控制器,改善控制性能。同时搭建磁场定向的矢量控制系统,比较两系统参与空间矢量调制变量之间的联系,有效验证了SVPWM能够同时作用于预期电压的直接转矩控制系统与磁场定向的控制系统。本文选用磁场定向控制(FOC)的永磁同步电机驱动系统进行容错策略的研究。传统功率变换器由三个半桥构成,不具备容错能力。针对单桥臂故障被隔离以后,功率变换器无法正常生成8个有效空间矢量,本文采用三相四开关的SVPWM空间矢量调制手段对其进行容错,利用功率变换器直流母线上两个串联的平波电容代替故障桥臂,对电机进行控制。首先搭建仿真模型,研究三相六开关SVPWM与三相四开关SVPWM控制之间异同。针对三相四开关SVPWM控制下无零矢量的问题,提出了三种零矢量的等效调制方法。然后分析两个串联的平波电容容量不均时对四开关SVPWM控制下基本空间矢量的影响。最后,建立电机功率变换器模型观测器,利用正常与故障电流的差值结合仿真对逆变器功率管的故障特征进行分析,以实现故障定位。本文设计了以STM32为主控制芯片的实验平台,包括硬件和软件两大部分。硬件部分设计包括主电路、驱动电路、电流电压检测电路、故障切换电路、电源电路等。软件部分设计包括主程序、编码器零脉冲捕获中断程序、定时器溢出中断程序、功率中断程序以及速度、电流调节子程序等。验证了控制方案的可行性,分析了系统中的不足并做出了下一步的规划。
【关键词】：永磁同步电机 直接转矩控制 磁场定向控制 容错 三相四开关SVPWM
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM341;TP273
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-13
• 1.1 研究背景和意义8
• 1.2 课题国内外的研究现状8-12
• 1.2.1 电机驱动系统常见的故障8-9
• 1.2.2 故障诊断的研究现状9-10
• 1.2.3 永磁同步电机控制技术研究现状10-11
• 1.2.4 容错技术的研究现状11-12
• 1.3 本文主要研究的内容12-13
• 第二章 永磁同步电机驱动系统研究13-27
• 2.1 永磁同步电动机的数学模型13-17
• 2.1.1 坐标变换与坐标系13-14
• 2.1.2 PMSM在静止坐标系中的数学模型14-15
• 2.1.3 PMSM在dq旋转坐标系中的模型15-16
• 2.1.4 PMSM在xy旋转坐标系中的定子电压、磁链和转矩方程16-17
• 2.2 基本空间电压矢量17-18
• 2.3 SVPWM在DTC中的运用18-22
• 2.3.1 传统DTC系统18-19
• 2.3.2 预期电压的DTC系统19-21
• 2.3.3 仿真研究21-22
• 2.4 SVPWM在FOC中的运用22-26
• 2.4.1 FOC系统22-25
• 2.4.2 仿真研究25-26
• 2.5 FOC和DTC的异同26
• 2.6 本章小结26-27
• 第三章 三相四开关SVPWM容错控制27-39
• 3.1 三相四开关拓扑的基本矢量27-31
• 3.1.1 三相四开关拓扑的基本矢量推导27-29
• 3.1.2 直流母线电容不平衡对基本矢量的影响29-30
• 3.1.3 三相四开关拓扑的基本矢量仿真30-31
• 3.2 零矢量在控制中的意义31-32
• 3.3 三相四开关SVPWM的矢量分布32-37
• 3.3.1 导通时间的计算32-33
• 3.3.2 三种三相四开关SVPWM策略33-36
• 3.3.3 三种SVPWM调制波函数的内在关系36-37
• 3.4 仿真研究37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第四章 功率变频器故障检测手段39-46
• 4.1 故障后的现象39-40
• 4.2 仿真研究40
• 4.3 利用最小电流差进行故障诊断40-45
• 4.3.1 A相桥臂T1管开路故障43-44
• 4.3.2 A相桥臂T2管开路故障44-45
• 4.4 仿真研究45
• 4.5 本章小结45-46
• 第五章 硬件系统设计46-56
• 5.1 微控制器选型46
• 5.2 整流电路与预充电电路46-49
• 5.3 功率与驱动电路49-51
• 5.3.1 功率电路49-50
• 5.3.2 驱动电路50-51
• 5.4 电流检测与保护电路51-53
• 5.5 电压检测与保护电路53-54
• 5.6 晶闸管切换电路54
• 5.7 电源电路54-55
• 5.8 本章小结55-56
• 第六章 软件系统设计56-62
• 6.1 主程序56-57
• 6.2 编码器零脉冲捕获中断57-59
• 6.2.1 转子初始位置定位57-58
• 6.2.2 速度信号计算58-59
• 6.3 定时器溢出中断59-60
• 6.4 速度电流调节子程序60-61
• 6.5 其他中断61
• 6.6 本章小结61-62
• 第七章 控制系统实验分析62-65
• 7.1 实验平台介绍62-63
• 7.2 实验结果63-64
• 7.3 本章小结64-65
• 总结与展望65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-70
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果70

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本文编号：1093590