PMSM-DTC转矩脉动抑制原理研究

作     者：贾宗圣 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘凤春

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：永磁同步电动机 直接转矩控制 转矩脉动 零矢量 容错运行 

摘      要：永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor,简称PMSM)以其结构简单、体积小、高功率密度、高效率等优势广泛应用于家电、电动汽车、轨道交通、工业控制等诸多领域。直接转矩控制(Direct torque control,简称DTC)是一种结构简单、动态响应快的常用控制策略,其控制特性直接关系电机的运行性能。本文以PMSM-DTC控制系统为研究对象,针对两电平逆变器正常拓扑和容错四开关逆变器拓扑供电下PMSM驱动系统的直接转矩控制展开研究,旨在抑制电磁转矩脉动,提升电机运行的稳定性与可靠性。首先,分别建立了永磁同步电机在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型。基于两相旋转坐标系下的数学模型,给出了PMSM双闭环的FOC方案;基于两相静止坐标系下的数学模型,分析了PMSM转矩、磁链双滞环DTC方案;并对两种控制方案的实现方式、参数敏感性以及电机运行的动、静态性能等方面进行了分析和比较。其次,分析了传统PMSM直接转矩转矩脉动大的形成原因,通过对比零矢量在异步电机和永磁同步电机直接转矩控制中的作用效果,明确了零矢量具有在PMSM-DTC中“维持转矩的作用,并结合PMSM-DTC的特殊性,提出了PMSMDTC零矢量优化作用方案。基于Matlab/Simulink搭建仿真模型,对比了传统PMSM-DTC与所提出PMSM-DTC作用下电机的转矩脉动性能。针对逆变器功率开关器件易出现故障问题,对两电平三相六开关逆变器某相发生故障后进行拓扑重构,建立了其容错拓扑三相四开关逆变器的数学模型,设计了三相四开关逆变器供电下PMSM-DTC方案;考虑三相四开关逆变器电压矢量数受限且无零矢量问题,提出了合成虚拟电压矢量的策略,扩展了容错运行时电压矢量表,以降低电磁转矩脉动幅值,提升PMSM容错运行性能。最后,搭建了永磁同步电机驱动系统的实验平台,给出了保护电路、隔离驱动电路、信号采集电路、DSP控制系统等设计方案。实物实验结果与仿真结果基本保持一致,证明了所提PMSM-DTC策略的可行性与优越性。