基于无速度传感器和两级桥式逆变器的双三相感应电机控制系统研究

摘要

多相系统较传统的三相系统具有优势，本文的双三相感应电机控制系统是一种典型的多相系统。但是传统的双三相感应电机的驱动拓扑大都为单级桥式结构，在电源输入功率一定的情况下，采用单级桥式驱动拓扑的大功率多相系统会造成电源输入端大电流。
　　本文提出基于两级串联桥式驱动拓扑的双三相感应电机控制系统，继承了传统多相系统优势，在电源功率一定的情况下，相较于单级桥式驱动拓扑虽然采用两级串联桥式驱动拓扑的大功率双三相感应电机控制系统需要电源输入端提供更高的电压，但电源输入端的电流会更小。所以该控制系统在某些对电源输入端电流幅值有限制的场合可以推广应用。
　　本文针对两对极双三相感应电机，主要研究了基于两级串联桥式驱动拓扑下的新型控制策略。在产生脉宽调制波(PWM)方式上，把一种三相感应电机的NovelSVPWM发波方式通过双CLARK变换推广到双三相感应电机上，由于NovelSVPWM编程较传统SVPWM波更为方便且代码更少，但控制效果与传统SVPWM相似，所以简化了程序的繁琐程度。在开环控制方式上，在矢量控制的基础上，通过给定dq旋转坐标系下的q轴电压值Uq，作为合成电压矢量U的值对双三相感应电机进行开环控制。在闭环控制方式上，在转子磁链定向的矢量控制基础上进行改进，合理利用坐标变换中幅值变换，使六相合成矢量的幅值与两套三相合成矢量的幅值相同，仅在相位上有些许的差别，可以用相位补偿进行弥补，简化了控制系统。在经过理论分析、仿真实验和实验验证后，证明了该种方法的可行性，该算法在保证控制效果的同时减小了控制的复杂度。
　　针对某些速度传感器很难推广的场合，采用模型参考自适应(MRAS)法通过采集每相电机定子侧相电流来对电机转速进行实时估计并作为闭环控制的速度反馈，并对MRAS算法做出两点改进:在可调模型中加入转速估计补偿系数和在MRAS算法中使用相对于控制系统独立的一套电机参数。
　　本文在Matlab/Simulink中建立新型控制策略的仿真模型，分别针对基于两级串联桥式驱动拓扑的双三相感应电机的开环、闭环和改进后的MRAS算法做出仿真验证。
　　在搭建的以DSP和FPGA为主控芯片的系统平台上进行编程，在实际的控制系统中实现上述理论的应用。为了说明算法的有效性及可行性，与另外两种结构的电机（定子绕组Y型接法的三相感应电机与基于两级串联H桥驱动拓扑的双三相感应电机）共同做出带载实验，但是在做对比实验时发现Y型接法的三相感应电机和基于两级串联桥式驱动拓扑的双三相感应电机的带载能力较弱，在分析算法和基于两级串联驱动拓扑的双三相感应电机和Y型三相感应电机的电机结构后，通过改进控制系统的算法解决了带载能力不足的现象。

目录

声明

摘要

主要英语缩略单词与符号说明

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．1．1 多相电机及其驱动系统的发展与优势

1．1．2 多相感应电机的控制策略

1．2 双三相感应电机的研究现状

1．2．1 基于并联或串联H桥驱动拓扑的双三相感应电机控制系统

1．2．2 基于并联桥式驱动拓扑的双三相感应电机控制系统

1．2．3 基于两级串联桥式驱动拓扑的双三相感应电机控制系统

1．2．4 基于无速度传感器的速度辨识算法

1．3 本课题的主要研究内容

第2章 双三相感应电机的数学模型与控制策略

2．1 坐标变换与双三相电机的数学模型

2．1．1 CLARK坐标变换的两种原则

2．1．2 三相电机的坐标变换

2．1．3 双三相电机坐标变换与六相电机坐标变换的联系

2．1．4 两相坐标系中双三相感应电机的数学模型分析

2．1．5 实验所用双三相感应电机的定子绕组结构及电机参数

2．2 基于Novel SVPWM算法的双三相感应电机

2．2．1 三相感应电机的传统SVPWM技术

2．2．2 由三相Novel SVPWM推广到双三相Novel SVPWM

2．3 双三相感应电机的新型控制策略

2．3．1 双三相感应电机的新型开环控制策略

2．3．2 双三相感应电机的新型闭环控制策略

2．4 改进的基于MRAS算法的速度辨识

2．5 本章小结

第3章 基于MATLAB／Simulink的仿真控制系统

3．1 系统主要仿真模块介绍

3．2 新型开环控制策略可行性仿真验证

3．3 基于转子磁链定向的新型闭环矢量控制系统可行性仿真验证

3．4 基于MRAS改进算法的可行性仿真验证

3．4．1 系统开环时电机实际转速与估计转速

3．4．2 系统闭环时电机实际转速与估计转速

3．4．3 带有速度辨识反馈的闭环矢量控制系统仿真

3．5 本章小结

第4章 双三相感应电机控制系统平台的搭建与调试

4．1 控制系统硬件平台介绍

4．2 控制系统软件编程设计

4．3 双三相感应电机控制系统调试

4．4 基于新型驱动拓扑的双三相感应电机控制策略实验验证

4．4．1 开环控制策略实验验证

4．4．2 闭环控制策略实验验证

4．5 本章小结

第5章 三种不同结构感应电机带载能力实验

5．1 直流测功机加载原理及带载实验平台介绍

5．2 定子绕组为Y型接法的三相感应电机控制系统带载实验

5．3 基于两级串联桥式驱动拓扑结构的双三相感应电机带载实验

5．4 基于两级串联H桥驱动拓扑的双三相感应电机控制系统带载实验

5．5 三相感应电机控制系统通工频电带载实验

5．6 改进后的基于两级串联桥式驱动拓扑的双三相感应电机系统带载实验

5．7 本章小结

6．1 全文工作总结

6．2 不足与展望

参考文献

致谢