基于DSP的内置式永磁同步电机弱磁控制系统的研究

摘要

永磁同步电机转子结构的多样性、转子永磁材料的不断发展和控制方法的不断优化，使得永磁同步电机调速系统得到了飞速的发展，永磁同步电机以其效率高、体积小、调速范围宽等特点，被广泛的应用于各个行业，特别是电动汽车、航天航空和军工等领域。电机在高速运行时，受到逆变器容量的限制，会引起电机输出转矩、电流和转速性能的下降，采用弱磁控制可以使永磁同步电机在逆变器容量一定的情况下具有较宽的调速范围，获得更大的输出转矩和较好的动态性能。因此，研究永磁同步电机驱动控制系统，提高电机调速性能是非常有意义的。
　　本文研究的主要目的是改善内置式永磁同步电机的弱磁性能，扩宽系统调速范围，提高电机的转矩输出能力，改善系统的动态响应性能。为了能够充分的利用直流母线电压，本文采用基于过调制电压差反馈的弱磁策略；为了实现深度弱磁，采用最大转矩/电压比（MTPV）弱磁策略，对整个控制系统进行了探讨。
　　首先，建立永磁同步电机在三种坐标系下数学模型，讲述了坐标变换原理，详细分析了电机运行的约束条件和弱磁控制工作区间的电流给定。在此基础上分析提出了一种最优路径弱磁控制策略。
　　其次，分析了传统电压反馈弱磁控制方法，针对传统方法中直流母线电压不能充分被利用的不足之处，提出了基于过调制的电压差反馈弱磁控制策略以及MTPV弱磁控制策略。在过调制电压差反馈弱磁控制系统中，为了充分的利用直流母线电压，采用幅值跟随过调制技术将 SVPWM扩展至过调制区；为了最大化利用SVPWM调制前后的动态电压差，提出利用梯度下降法建立控制算法数学模型，对电流矢量相位角进行调整实现弱磁升速；详细的分析了过调制电压差反馈弱磁控制的弱磁性能，分析结果表明，系统在不外加 PI抗饱和环节的情况下，能避免PI积分饱和，极大的提高了永磁同步电机的动态性能；利用对直轴电流进行限幅，将限幅之后的差值作为交流电流的调整量，使电流轨迹沿着 MTPV曲线运行，扩宽了永磁同步电机的运行区域，将 MTPV曲线线性化，简化了计算过程。
　　最后，在 Matlab/Simulink中搭建了基于过调制电压差反馈结合最大转矩/电压比弱磁控制系统模型，并对系统进行仿真，将仿真结果和传统方法进行对比，结果体现了本文提出的方法能充分的利用直流母线电压，提升了转矩输出能力，改善了控制系统的动态响应性能。利用TI公司的 DSP芯片搭建弱磁控制硬件平台，给出软件设计程序图，在此基础上搭建实验平台，仿真实验结果验证了本文控制方法的可行性和正确性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 永磁同步电机控制理论的现状与发展趋势

1.3 本文各章节的内容安排

第2章 内置式永磁同步电机控制原理

2.1 永磁同步电机的本体结构

2.2 内置式永磁同步电机的数学模型

2.3 永磁同步电机坐标变换原理

2.4 永磁同步电机约束条件

2.5 内置式永磁同步电机控制原理

2.6 永磁同步电机最优弱磁路径

2.7 永磁同步电机弱磁控制策略

2.8 本章小结

第3章 基于电压差反馈的内置式永磁同步电机弱磁控制系统设计

3.1 基于电压反馈的弱磁控制系统

3.2 基于过调制的电压差反馈弱磁与MTPV弱磁控制系统

3.3 基于过调制电压差反馈法的SVPWM

3.4 本章小结

第4章 永磁同步电机控制系统仿真及分析

4.1 SVPWM模型仿真

4.2 永磁同步电机控制系统模型仿真

4.3 本章小结

第5章 基于DSP的永磁同步电机控制系统的硬件和软件实现及实验

5.1 硬件设计电路

5.2 软件设计

5.3 实验验证

5.4 本章小结

总结

参考文献

附录(攻读硕士期间所发表的学术论文)

致谢