三电平直接转矩控制减小转矩脉动PWM算法研究
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摘要
直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后的又一种交流电机高性能控制技术,它以定子电压空间矢量为定向,直接对电机定子磁链和转矩进行控制,具有转矩响应快、对电机参数依赖小的优点,但它的不足之处就是存在较大的转矩脉动。
本文实现了以TMS320LF2407A DSP为控制核心、三相异步电机为对象的三电平直接转矩控制系统。在分析了异步电机数学模型、直接转矩控制原理以及转矩脉动特性的基础上,研究了几种适用于三电平拓扑减小转矩脉动的方法。
最后,在MATLAB/SIMULINK仿真软件下建立了基于虚拟合成矢量控制的异步电机直接转矩控制系统仿真模型,先后对虚拟合成矢量方法、转矩预估测控制法、基于定子磁链幅值和相位补偿的转矩预估测控制法和离散占空比控制方法进行仿真研究,验证上述控制方法的正确性和有效性;并且基于TMS320LF2407A DSP设计控制电路,采用汇编语言编程,针对1.1kW异步电机,分别采用虚拟合成矢量方法、转矩预估测控制法和离散占空比控制方法进行直接转矩控制系统实验。仿真和实验结果表明,在相同的采样周期和磁链、转矩滞环宽度的情况下,与虚拟合成矢量方法相比,上述几种方法能够很好的减小转矩脉动,改善电机的性能。
Direct torque control is another high performance control technique of AC motor, it adapt flux oriented control and transient space vector theory, directly control stator flux and torque, it has the advantage of rapid torque response and less relying on stator parameters, but has the disadvantage of bigger torque ripple.
Direct torque control system which control core is TMS320LF2407A DSP and object is three-phase asynchronous motor is implemented in this paper. On the basis on analyzing of asynchronous motor, DTC principle and torque ripple characteristic, some methods for the topo of three-level that can reduce the torque ripple is researched.
Finally, all the methods that based on synthesizing vectors , included synthesizing vectors control method, torque predictive control method, torque predictive control method based on the amplitude and phase compensation of the stator flux linkage, discrete duty ratio control technology are researched by MATLAB simulation; the control circuits based on TMS320 LF2407A are designed. Synthesizing vectors control method, torque predictive control method and discrete duty ratio control technology have been implemented on 1.1kW induction motor by assembly language. The simulation and experiment results prove that at the same sampling frequency and hysteresis width of stator flux and torque, comparing with synthesizing vectors control method, the methods which have been discussed can better reduce the torque ripple, improve the motor performance.
本文实现了以TMS320LF2407A DSP为控制核心、三相异步电机为对象的三电平直接转矩控制系统。在分析了异步电机数学模型、直接转矩控制原理以及转矩脉动特性的基础上,研究了几种适用于三电平拓扑减小转矩脉动的方法。
最后,在MATLAB/SIMULINK仿真软件下建立了基于虚拟合成矢量控制的异步电机直接转矩控制系统仿真模型,先后对虚拟合成矢量方法、转矩预估测控制法、基于定子磁链幅值和相位补偿的转矩预估测控制法和离散占空比控制方法进行仿真研究,验证上述控制方法的正确性和有效性;并且基于TMS320LF2407A DSP设计控制电路,采用汇编语言编程,针对1.1kW异步电机,分别采用虚拟合成矢量方法、转矩预估测控制法和离散占空比控制方法进行直接转矩控制系统实验。仿真和实验结果表明,在相同的采样周期和磁链、转矩滞环宽度的情况下,与虚拟合成矢量方法相比,上述几种方法能够很好的减小转矩脉动,改善电机的性能。
Direct torque control is another high performance control technique of AC motor, it adapt flux oriented control and transient space vector theory, directly control stator flux and torque, it has the advantage of rapid torque response and less relying on stator parameters, but has the disadvantage of bigger torque ripple.
Direct torque control system which control core is TMS320LF2407A DSP and object is three-phase asynchronous motor is implemented in this paper. On the basis on analyzing of asynchronous motor, DTC principle and torque ripple characteristic, some methods for the topo of three-level that can reduce the torque ripple is researched.
Finally, all the methods that based on synthesizing vectors , included synthesizing vectors control method, torque predictive control method, torque predictive control method based on the amplitude and phase compensation of the stator flux linkage, discrete duty ratio control technology are researched by MATLAB simulation; the control circuits based on TMS320 LF2407A are designed. Synthesizing vectors control method, torque predictive control method and discrete duty ratio control technology have been implemented on 1.1kW induction motor by assembly language. The simulation and experiment results prove that at the same sampling frequency and hysteresis width of stator flux and torque, comparing with synthesizing vectors control method, the methods which have been discussed can better reduce the torque ripple, improve the motor performance.
引文
[1]谭卓辉.基于虚拟矢量的三电平逆变器异步机直接转矩控制研究[D].北京:清华大学,2002.4
[2]蔡建.三电平逆变器直接转矩控制系统中PWM算法的研究[D].西安:西安理工大学.2007
[3]Xiaoming Yuan,Ivo Barbi.A New Diode Clamping Multilevel Inverter[J].IEEE.1999:495-501
[4]Meynard T A,Foch H.Multilevel conversion:high voltage choppers and voltage-source inverters[C].PESC,1992:397-403.
[5]Jih-Sheng Lai,Fang Zheng Peng.Multilevel converters-A new breed of power converters[J].IEEE Trans.on Industry Applications.1996,Vol.32(3):509-517.
[6]K.Matui,Y.Kawata,T.Yamaguchi,et al.Multilevel modulations for parallel connected NPC-PWM inverters[C].Procedings of 1997 International Conference on Power Electronics.2000,15(5):901-907
[7]G.Gateau,Y.A.Meynard,H.Foch.Stacked multicell Converter(SMC):properties and design[C].PESC'01 Record.2001,Vol.3:1583-1588.
[8]李永东.大容量多电平变换器[M].北京:科学出版社,2005
[9]张崇巍,李汉强主编.运动控制系统[M].武汉理工大学出版社,2002
[10]杨家强,黄进.基于转矩预测的异步电机直接转矩控制研究.浙江大学学报[J],2005,vol.39(9)
[11]孙笑辉,韩曾晋.减小感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法.电气传动[J],2001(1):16-21
[12]孙笑辉,张曾科,韩曾晋.基于直接转矩控制的感应电动机转矩脉动最小化方法研究.中国电机工程学报[J],2002,vol.22(8)
[13]谢红军,张庆范,张琪君.基于预前控制异步电机直接转矩控制方案的研究.电气传动[J],2006,Vol.36(8)
[14]魏欣,陈大跃,赵春宇.一种基于占空比控制技术的异步电机直接转矩控制方案.中国电机工程学报[J].2005.Vol.25(14)
[15]魏欣,陈大跃,赵春宇.基于改进离散占空比控制技术的异步电机直接转矩控制方案.测控技术[J].2006Vol.25(9)
[16]Idris N R N,Yatim A H M,Reduced torque ripple and constant torque Switching frequency strategy for direct torque control of induction machine[J].In ConfRec.IEEEAPEC,2000,1(1):154-161
[17]陈伯时.电力拖动自动控制系统(第二版)[M].北京:机械工业出版社,1996:233-255.
[18]高景德,李发海.交流电机及其系统的分析[M].北京:清华大学出版社,1993:349-364.
[19]吴志红,陶生桂.二极管箝位式多电平逆变器的拓扑结构分析[J].同济大学学报.2003,Vol.31(10):1217-1222.
[20]李永东.交流电机数字控制系统[M].机械工业出版社,2002.4
[21]张旭,瞿文龙.一种低速下磁链观测补偿的新方法.电工电能新技术[J].2003,Vol.22(3)
[22]万宇宾,胡婵娟,万淑芸.基于电压模型的定子磁链观测器及参数设计方法.电气传动[J],2006.Vol.36(3)
[23]蔡斌军,刘国荣.一种新型的改善直接转矩控制低速性能的磁链观测方法.电气传动[J].2007,Vol.37(4)
[24]李永东.三电平逆变器异步电动机直接转矩控制系统(Ⅱ)一合成矢量法[J].电工技术学报.2004,Vol.19(5):31-35
[25]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2006:6-85
[26]崇鑫.减小转矩脉动的异步电机直接转矩控制系统研究[D].西安:西安理工大学.2007
[27]李发海,王岩.电机与拖动基础[M].北京:机械工业出版社.1994.6
[28]谢宝昌,任永德.电机的DSP控制技术及其应用[M].北京航空航天大学出版社,2005.3
[29]何苏勤,王忠勇.TMS320C2000系列DSP原理及实用技术[M].电子工业出版社,2003.9
[30]宁改娣,杨拴科.DSP控制器及原理应用[M].科学出版社,2002.11
[31]徐科军,张兴,肖本贤,吴婷等编译.Texas Instruments Incorporated.TMS320LF/LC24系列DSP 指令和编程工具[M].北京:清华大学出版社,2005.1
[32]徐科军,张兴,肖本贤,吴婷等编译.Texas Instruments Incorporated.TMS320LF/LC24系列DSP的CPU与外设[M].北京:清华大学出版社,2004.4
[33]丁玉美,高西全.数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.12
[34]陶永华等.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998:6-35.
[35]姜杉.直接转矩控制交流调速系统的研究[D].西安:西安理工大学 2004
[36]闫丽.无速度传感器直接转矩控制系统研究[D].西安:西安理工大学,2006:3-12
[37]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,2001:14-32
[38]马小亮.大功率交—交变频交流调速及矢量控制[M].机械工业出版社,1992.9
[39]吴学智,刘亚东,黄立培.三电平电压型逆变器空间矢量调制算法的研究[J].电工电能新技术.2002,Vol.21(4):16-19
[40]赵莉.基于三电平逆变器的异步电动机直接转矩控制[D].北京:中国科学院研究生院,2005:7-34
[41]金孟加,邱建琪,史涔激,林瑞光.基于新型定子磁链观测器的直接转矩控制.中国电机工程学报[J],2005,Vol.25(24)
[42]张朝阳.三电平逆变器供电异步电机直接转矩控制研究[D].成都:西南交通大学,2006:5
[2]蔡建.三电平逆变器直接转矩控制系统中PWM算法的研究[D].西安:西安理工大学.2007
[3]Xiaoming Yuan,Ivo Barbi.A New Diode Clamping Multilevel Inverter[J].IEEE.1999:495-501
[4]Meynard T A,Foch H.Multilevel conversion:high voltage choppers and voltage-source inverters[C].PESC,1992:397-403.
[5]Jih-Sheng Lai,Fang Zheng Peng.Multilevel converters-A new breed of power converters[J].IEEE Trans.on Industry Applications.1996,Vol.32(3):509-517.
[6]K.Matui,Y.Kawata,T.Yamaguchi,et al.Multilevel modulations for parallel connected NPC-PWM inverters[C].Procedings of 1997 International Conference on Power Electronics.2000,15(5):901-907
[7]G.Gateau,Y.A.Meynard,H.Foch.Stacked multicell Converter(SMC):properties and design[C].PESC'01 Record.2001,Vol.3:1583-1588.
[8]李永东.大容量多电平变换器[M].北京:科学出版社,2005
[9]张崇巍,李汉强主编.运动控制系统[M].武汉理工大学出版社,2002
[10]杨家强,黄进.基于转矩预测的异步电机直接转矩控制研究.浙江大学学报[J],2005,vol.39(9)
[11]孙笑辉,韩曾晋.减小感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法.电气传动[J],2001(1):16-21
[12]孙笑辉,张曾科,韩曾晋.基于直接转矩控制的感应电动机转矩脉动最小化方法研究.中国电机工程学报[J],2002,vol.22(8)
[13]谢红军,张庆范,张琪君.基于预前控制异步电机直接转矩控制方案的研究.电气传动[J],2006,Vol.36(8)
[14]魏欣,陈大跃,赵春宇.一种基于占空比控制技术的异步电机直接转矩控制方案.中国电机工程学报[J].2005.Vol.25(14)
[15]魏欣,陈大跃,赵春宇.基于改进离散占空比控制技术的异步电机直接转矩控制方案.测控技术[J].2006Vol.25(9)
[16]Idris N R N,Yatim A H M,Reduced torque ripple and constant torque Switching frequency strategy for direct torque control of induction machine[J].In ConfRec.IEEEAPEC,2000,1(1):154-161
[17]陈伯时.电力拖动自动控制系统(第二版)[M].北京:机械工业出版社,1996:233-255.
[18]高景德,李发海.交流电机及其系统的分析[M].北京:清华大学出版社,1993:349-364.
[19]吴志红,陶生桂.二极管箝位式多电平逆变器的拓扑结构分析[J].同济大学学报.2003,Vol.31(10):1217-1222.
[20]李永东.交流电机数字控制系统[M].机械工业出版社,2002.4
[21]张旭,瞿文龙.一种低速下磁链观测补偿的新方法.电工电能新技术[J].2003,Vol.22(3)
[22]万宇宾,胡婵娟,万淑芸.基于电压模型的定子磁链观测器及参数设计方法.电气传动[J],2006.Vol.36(3)
[23]蔡斌军,刘国荣.一种新型的改善直接转矩控制低速性能的磁链观测方法.电气传动[J].2007,Vol.37(4)
[24]李永东.三电平逆变器异步电动机直接转矩控制系统(Ⅱ)一合成矢量法[J].电工技术学报.2004,Vol.19(5):31-35
[25]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2006:6-85
[26]崇鑫.减小转矩脉动的异步电机直接转矩控制系统研究[D].西安:西安理工大学.2007
[27]李发海,王岩.电机与拖动基础[M].北京:机械工业出版社.1994.6
[28]谢宝昌,任永德.电机的DSP控制技术及其应用[M].北京航空航天大学出版社,2005.3
[29]何苏勤,王忠勇.TMS320C2000系列DSP原理及实用技术[M].电子工业出版社,2003.9
[30]宁改娣,杨拴科.DSP控制器及原理应用[M].科学出版社,2002.11
[31]徐科军,张兴,肖本贤,吴婷等编译.Texas Instruments Incorporated.TMS320LF/LC24系列DSP 指令和编程工具[M].北京:清华大学出版社,2005.1
[32]徐科军,张兴,肖本贤,吴婷等编译.Texas Instruments Incorporated.TMS320LF/LC24系列DSP的CPU与外设[M].北京:清华大学出版社,2004.4
[33]丁玉美,高西全.数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.12
[34]陶永华等.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998:6-35.
[35]姜杉.直接转矩控制交流调速系统的研究[D].西安:西安理工大学 2004
[36]闫丽.无速度传感器直接转矩控制系统研究[D].西安:西安理工大学,2006:3-12
[37]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,2001:14-32
[38]马小亮.大功率交—交变频交流调速及矢量控制[M].机械工业出版社,1992.9
[39]吴学智,刘亚东,黄立培.三电平电压型逆变器空间矢量调制算法的研究[J].电工电能新技术.2002,Vol.21(4):16-19
[40]赵莉.基于三电平逆变器的异步电动机直接转矩控制[D].北京:中国科学院研究生院,2005:7-34
[41]金孟加,邱建琪,史涔激,林瑞光.基于新型定子磁链观测器的直接转矩控制.中国电机工程学报[J],2005,Vol.25(24)
[42]张朝阳.三电平逆变器供电异步电机直接转矩控制研究[D].成都:西南交通大学,2006:5