风电平台大功率PMSM无速度传感器驱动控制研究与应用

【摘要】：本文以风力发电实验平台为依托，以低速大转矩永磁同步电机作为研究对象，结合永磁同步电机的特性，着重进行了永磁同步电机驱动控制研究。 首先针对关于永磁同步电机驱动相关方面，对国内外研究现状与相关技术进行了解和分析，针对实验平台的硬件建立了仿真模型并选取相对合适的算法。其次推导和分析了坐标变换原理，熟悉各个坐标系间的互相转换，并结合PMSM空间矢量坐标关系，推导永磁同步电机在三种坐标系（a-b-c、α-β，d-q）下的数学模型并做相关的详细分析。再次深入讨论了滑模控制的理论依据与特点，并结合永磁同步电机在三种（a-b-c、α-β，d-q）坐标系下的数学模型，设计出了基于两相静止坐标系下的滑模观测器，并根据相关模型需要的实际数据与实际硬件平台的需求，设计了RT_LAB与变流器之间的接口电路，并成功运行实现。同时研究了永磁同步电机电压空间矢量控制方法以及传统PI控制，分析并结合两者的特色与优点，弥补相应的缺点，设计出了基于滑模观测器的PMSM无传感器空间矢量调制策略。最后，根据实际的硬件条件，设计出相应的硬件信号转换电路，将滑模观测器算法与离散PI控制在RT_LAB中实现并得以验证通过。 研究和使用Matlab/Simulink仿真软件，在Simulink仿真平台下搭建了滑模观测器和永磁同步电机空间矢量调制系统的离散仿真模型在此模型下，分别对设计的基于两相静止坐标系的滑模观测器和空间矢量调制策略进行相关验证。以电机模型的实际输出转子转速与转子位置为参考，对基于滑模观测器的转子转速估计与转子位置估计的可行性与准确性进行分析验证。仿真结果表明，通过滑模观测器计算估计出的转子转速与转子位置可以完全跟踪实际的转子转速与转子位置。然后将滑模观测器引入到永磁同步电机的控制模型中，用估计的转子转速与转子位置替换电机模型的实际转子转速与转子位置，完成基于滑模观测器的PMSM无速度传感器空间矢量调制系统的离散仿真模型，对离散仿真模型的可行性与正确性进行相关验证，并实现了电机转速在额定转速范围内的连续可调。 根据实际硬件要求，设计并完成变流器与RT_LAB控制器之间的信号转换电路。在仿真实验的基础上，结合风力发电实验平台的实际硬件参数，搭建了基于滑模观测器的永磁同步电机无速度传感器空间矢量调制的实验系统。该系统以RT_LAB为控制器，以信号转换板为接口实现控制器与控制柜之间信号传递。离散PI控制、空间矢量调制以及无速度传感器下滑模观测器对转子转速与转子位置估计算法等全部由控制器完成，保证了所有信号的完整性与同步性，使得永磁同步电机有优良的调速和抗干扰性能。实验结果表明，该控制器使得永磁同步电机驱动系统具有静态误差小、上升时间短、抗干扰能力强等特点。 【关键词】：风力发电 永磁同步电机 滑模控制 滑模观测器 离散PI控制
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM341
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 选题背景及意义10
• 1.2 国内外 PMSM 的研究现状10-11
• 1.3 永磁同步电机控制技术11-13
• 1.4 滑模变结构控制13-14
• 1.5 本文的主要研究内容14-15
• 第二章 永磁同步电机结构与数学模型15-23
• 2.1 永磁同步电机结构与选型15-16
• 2.2 永磁同步电机数学模型16-22
• 2.2.1 d-q 变换和α-β变换16-19
• 2.2.2 三相静止坐标系下的电压和转矩方程19
• 2.2.3 同步旋转坐标系下的磁链、电压和转矩方程19-21
• 2.2.4 两相静止坐标系下的磁链、电压和转矩方程21-22
• 2.3 本章小结22-23
• 第三章 基于滑模观测器的转子位置检测原理23-38
• 3.1 滑模变结构控制23-28
• 3.1.1 滑模变结构理论23-25
• 3.1.2 滑模变结构控制的存在性与稳定性条件25-27
• 3.1.3 滑模控制的优缺点及“抖振”的处理27-28
• 3.2 滑模观测器法28-31
• 3.2.1 观测器滑模面29-30
• 3.2.2 观测器稳定性分析30-31
• 3.3 锁相环31-37
• 3.3.1 锁相环工作原理31-34
• 3.3.2 锁相环的线性相位模型34-36
• 3.3.3 锁相环的特性36
• 3.3.4 锁相环估计转子转速与位置36-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第四章 硬件平台与开发控制软件38-45
• 4.1 硬件平台概述38-42
• 4.1.1 永磁同步电机拖动系统原理38-39
• 4.1.2 信号转换39-42
• 4.2 控制软件 RT-LAB 与控制器 OP560042-44
• 4.3 本章小结44-45
• 第五章 PI 控制算法仿真系统与实验数据分析45-67
• 5.1 PI 控制算法原理和特点45
• 5.2 PI 控制算法数学实现45-46
• 5.3 电流环与转速环的设计46-50
• 5.4 系统指标50
• 5.5 永磁同步电机控制系统仿真模型50-53
• 5.5.1 滑模观测器的实现51
• 5.5.2 双闭环 PI 控制的实现51-52
• 5.5.3 系统仿真控制的实现52-53
• 5.6 实验结果分析53-66
• 5.6.1 系统仿真实验数据分析53-59
• 5.6.2 实际系统空载实验数据分析59-62
• 5.6.3 仿真系统负载实验数据分析62-66
• 5.7 本章小结66-67
• 第六章 总结与展望67-69
• 参考文献69-73
• 研究生期间发表论文73-74
• 致谢74

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