异步电机占空比调制的直接转矩控制算法研究

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本文以两电平电压源逆变器驱动异步电机调速系统为研究对象,从理论分析、计算机仿真和实验验证等几个方面深入研究了基于优化矢量表的直接转矩控制(DTC)策略,实现了异步电机宽范围高性能变频调速运行。传统的直接转矩控制在两相静止坐标系上,根据磁链和转矩的实时误差,通过滞环比较直接查矢量表,得到作用于电机上的最终开关电压矢量。滞环比较仅考虑了误差的方向,没有把误差大小考虑进去,因此不可避免的造成磁链和转矩上的脉动,尤其是低速时脉动更大。各种DTC的改进控制策略都致力于改善其低速和稳态性能,减小磁链和转矩脉动。目前针对异步电机而言,还没有文献对各种经典占空比控制DTC方法进行比较研究。另外,如何减小DTC起动时的过大电流,也是DTC研究中需要注意的问题。本文提出一种直流预励磁的方法应用于DTC策略中,有效地解决了DTC起动电流过大的问题。基于电机动态数学模型,深入研究了龙伯格观测器。针对其增益矩阵选择困难的问题,发现传统极点配置方法下的多组增益矩阵解,并指出了采用不同状态变量时增益矩阵之间的关系;进一步提出了一种新型简单增益矩阵,它可以降低系统计算量和电机转速误差的影响,同时改善观测器的稳定性。在对各种典型占空比控制DTC方法进行大量仿真和实验研究的基础上,基于无差拍控制采用定量与定性相结合的方法,提出一种简单易实现并且对参数变化鲁棒性强的新型占空比确定方法。仿真和实验结果证明该方法保持了传统DTC的结构简单性,在占空比计算中考虑对转矩和磁链误差的折衷优化,获得了同时减小转矩和磁链脉动的优良性能。依据异步电机动态数学模型,从理论上推导出逆变器输出的每个电压矢量引起的转矩和定子磁链变化率,并深入分析了转矩和磁链变化率与负载、电机转速和输入电压矢量之间的关系。基于转矩脉动最小控制方法,提出一种简单且十分有效的占空比确定方法,并给出了获取关键控制参数的数学解析方法。仿真和实验结果证明该方法同样保持了传统DTC的结构简单性,由于在占空比计算中考虑了电机转速的影响,能有效减小输出转矩脉动及其稳态误差,改善了传统DTC的控制性能。
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