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1、华中科技大学硕士学位论文基于DSP的全数字同步电机矢量控制系统的研制姓名：裴乐申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：林桦20080607I摘摘 要要 同步电机交直交调速系统拥有功率密度大、谐波污染小、控制性能理想等方面的诸多优点。同时，随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的快速发展，对同步电机控制系统得全数字化控制，先进的控制策略等技术的发展产生了巨大的推动作用。同步电机交直交调速系统已成为当今大功率电力传动研究方向之一，国内外多家机构都已经开展了对大功率同步电机交直交变频调速系统的研究，本文在国防“十五”预先研究重点项目资助下，以电励磁同步电机为研究对象，在深人研究同步
2、电机交直交变频矢量控制技术的基础上，研制一套全数字控制的同步电机交直交变频调速系统实验装置，为进一步研究其调速性能，控制策略以及各种大功率变频器拓扑提供优良的实验平台 本文首先分别建立了同步电机在 A-B-C 坐标系、d-q 坐标系以及气隙磁场定向的M-T 坐标系下的数学模型，推导了同步电机气隙磁场定向控制策略，在此基础上得到了同步电机交直交变频调速矢量控制系统结构，为实验装置的设计和研制提供理论依据。 依据同步电机矢量控制原理，设计了基于 DSP 的全数字控制同步电机矢量控制系统试验平台，详细介绍了主电路、控制电路以及检测电路的设计与参数、器件选型，并对各部分设计进行了实验验证，试验结果证明
3、了硬件系统设计的正确性，为后续软件系统的建立提供了可靠的研究平台。 详细论述了系统闭环控制中数字 PI 调节器的参数设计方法，给出了同步电机矢量控制系统的软件结构。着重介绍逆变器电压空间矢量(SVPWM)算法与同步电机气隙磁场定向算法的数字化实现方法以及 PI 调节器的计算机实现方法。然后就软件系统设计必须注意的问题进行了介绍。 最后，对本文设计的整套同步电机矢量系统进行了试验研究，试验结果表明本文设计的同步电机矢量控制系统具有良好的动、静态性能。 关键词：同步电机 矢量控制 气隙磁场定向 逆变器 空间矢量 IIAbstract Variable frequency speed system
4、of synchronous motor with AC-DC-AC inverter is a major area in the development of high-power AC drive system because of its high power density, low harmonic pollution as well as control-performance. Meanwhile, the fast development of power electronics、micro-electronics and modern theory brought high
5、 impulsively effects to the development of the advanced control strategies and full digital control technique for synchronous motor. Variable speed system of synchronous motor with AC-DC-AC inverter have been became an important research direction in high power AC drive field. This paper gains the b
6、ankroll of advanced research project of “Tenth-Five-Year-Plan“ Its takes electrically excited synchronous motor as the main research object. Based on the further research of the vector control technology, the paper manufactures a full digital synchronous motor vector control system device. That prov
7、ides a reliable experimental platform for research the speed adjusting performance, control strategies and topology of high-power inverter. Firstly this paper establishing the mathematic models in A-B-C frame, d-q frame and M-T frame .Then the gas-flux-oriented control strategies was derived. Based
8、on this the paper obtained the system structure of the variable speed system of synchronous motor with AC-DC-AC inverter. That provides theoretical basis for design and development experimental device. According as the theory of vector control system for synchronous, the hardware of the digital sync
9、hronous motor vector control system based on digital signal processor was designed. All part of this system was introduced in detail, including main circuit, control circuit and detection circuit. And then a series of experimentation were implemented for confirmed the correctness of system designed.
10、 The result of the experimentation indicates the design of the systems hardware is reliant. That provides the credible hardware platform for software design. The parameter design method for current regulator and speed regulator were introduced in detail. The structure of software system for synchron
11、ous motor vector IIIcontrol system was given. The voltage of space vector arithmetic, gas-flux-oriented arithmetic and PI regulator achieve method used computer were emphasizing introduced. The problems for attention of software design were point out at last. Finally, the paper does a lot of experim
12、entations to examine the performance of this system. The result of experimentation shows that the vector control system that was designed in this paper has good static and dynamic performances. Keywords: synchronous motor vector control gas-flux-oriented inverter Space vector 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文
13、是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇
14、编本学位论文。 保 密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本论文属于 11 绪论绪论 1.1 课题背景及选题意义课题背景及选题意义 电动机是实现电能向机械能转化的执行部件1，在工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中得到了广泛的应用，遍及了国民生活的各个领域。其中，许多应用场合，如风机、船舶推进、矿山卷扬等等对调速性能均有要求。资料显示，我国有 70%以上的电能用于交流电动机控制， 目前， 国内电动机总装机容量达 4.5 亿千瓦，年消耗电能达 6000 亿千瓦时，约占工业耗电量的 8
15、0%2。因此，为了满足运行、生产、工艺要求的同时减少运行损耗、延长电机使用寿命、节约电能，研究高性能电机控制技术具有非常重要的意义。 交流电机调速领域，同步电机与异步电机调速系统由于其各自特点，适用与不同的场合。同步电机调速系统具有高效率与功率因数可控等优点，广泛应用于：轧机、矿山卷扬、船舶推进、风机水泵控制等场合，特别是在大功率舰船推进领域拥有独特的优势，受到广泛的关注。国外在此领域研究较早，ABB、SIEMENS、ALSTOM等知名大公司均有不同功率级别的产品，国内在此方面的研究较国外有相当大的差距4。 因而， 研究同步电机调速系统， 特别是研究其在舰船推进领域的应用意义深远。 大功率同步
16、电机调速按照变频器的结构的不同， 可分为同步电机交交变频调速系统与同步电机交直交变频调速系统两大类。从文献检索看，对于大功率励磁同步电机的调速系统控制，目前国内的研究主要集中于交交变频调速系统研究。而对于交直交变频调速系统多用于中小容量的永磁同步电机调速场合。然而，对比这两类系统，交直交变频调速系统具有宽调速范围、高功率因数高（可达 1） 、谐波污染小等，动态响应快等优点，以交直交变频调速系统代替交交变频用于大容量、电励磁同步电机控制是一种发展趋势。也是近些年来国内外学者研究的热点之一，特别是随着新型开关器件的诞生与开关器件的容量的不断提升，以及逆变器串、并联与多电平技术的逐步应用，交直交变频调速系统将有更为广泛的应用前景。 2交流电机最为理想的控制方式就是实现磁链和转矩的独立控制， 但是同步电机的数学模型具有高阶、非线性、多变量、强耦合的特性5。实现磁通和转矩的独立控制并不容易。早
