双永磁同步电机五相逆变器驱动及控制方法研究

摘要

随着科学技术的发展，电动机已经应用于工业生产与实际生活的方方面面。在某些电力传动领域，如果只使用单个的电动机无法满足工业生产与实际生活的需求，所以电动机的应用越来越趋向于多台电机同步控制以满足复杂的传动要求。传统的多电机传动系统多使用单电机单逆变器系统进行并联使用，这一方法需求的功率器件多、成本高、可靠性低。为改变单电机单逆变器系统并联使用的缺点，本文提出一种基于控制两个三相永磁同步电机的单逆变器系统。这种逆变器具有五相桥臂，所以称之为五相逆变器驱动双永磁同步电机系统。对比之前的两个单电机单逆变器并联控制双电机系统，五相逆变器驱动双永磁同步电机能够有效的减少系统所占的空间并且减少功率器件的使用以达到降低成本的目的。同时，五相逆变器驱动双永磁同步电机系统可以作为两个单电机单逆变器并联控制双电机系统的容错控制方法，能够提高多电机传动系统的可靠性，这在某些对于可靠性要求极高的领域（例如航空航天、交通运输以及升降电梯等）具有重要的意义。
　　本文在国家自然科学基金青年基金项目(51307072)以及国家自然科学基金面上项目(61174055)的支持下，以五相逆变器驱动双永磁同步电机作为研究对象，重点研究了一种五相逆变器驱动信号的控制算法以及共用桥臂的选择方法，并构建了相关的硬件平台。具体研究内容如下:
　　首先，介绍了电力电子技术以及永磁同步电机的发展历程以及应用背景，并简单介绍了两种永磁同步电机的控制方法，即矢量控制（Vector Control, VC）与直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）。在介绍坐标变换的基础上推导了永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型。同时，介绍了空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)的原理并在MATLAB/SIMULINK上对其进行建模处理。
　　其次，提出了五相逆变器驱动双三相永磁同步电机系统的拓扑结构。为解决五相逆变器驱动双三相永磁同步电机的驱动信号问题，从线电压的角度出发引入了一种称之为“共用桥臂占空比差追踪法”的驱动信号控制策略。并且根据被选择的共用桥臂电流最小为原则，提出一种称之为“不相邻选择法”的方法来确定共用桥臂的选择，该方法可以作为两个单逆变器单电机系统并联传动控制的容错控制的补充方法。
　　再次，为了验证对于凸极式永磁同步电机，不同的控制方法在“共用桥臂占空比差追踪法”下的控制性能，在MATLAB/SIMULINK软件上建立了“共用桥臂占空比差追踪法”与“不相邻选择法”的仿真模块，并且分别构建了基于id=0与最大转矩电流比控制的仿真系统。
　　最后，根据五相逆变器驱动双永磁同步电机的控制方法，设计了基于DSPTMS320F2812五相逆变器驱动双永磁同步电数字控制系统的基础硬件，并使用C语言与汇编语言联合开发了相应的软件程序。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 电力电子技术

1．1．2 永磁同步电机应用背景

1．1．3 永磁同步电机控制方法

1．2 多电机传动系统

1．3 五相逆变器驱动双三相电机系统

1．4 本文研究意义与研究内容

第二章 永磁同步电机传动系统的控制原理

2．1 引言

2．2 永磁同步电机的定子结构

2．3 坐标变换

2．3．1 3／2变换及逆变换

2．3．2 2s／2r变换及逆变换

2．4 永磁同步电机的数学模型

2．4．1 A-B-C三相坐标系下数学模型

2．4．2 α-β书两相坐标系下数学模型

2．4．3 d-q两相旋转坐标系下数学模型

2．5 空间矢量脉宽调制(SVPWM)

2．5．1 SVPWM的原理

2．5．2 SVPWM的死区效应

2．6 本章小结

第三章 五相逆变器驱动双电机系统的控制策略

3．1 引言

3．2 五相逆变器双电机系统的控制策略

3．3 共用桥臂占空比差追踪法

3．5 共用桥臂选择

3．6 永磁同步电机的电流控制方法

3．6．1 id=0控制方法

3．6．2 最大转矩／电流控制

3．6．3 单位功率因数法

3．6．4 恒磁链控制法

3．7 本章小结

第四章 五相逆变器驱动双永磁同步电机系统的仿真与分析

4．1 引言

4．2 MATLAB ／SIMULINK软件介绍

4．3 永磁同步电机矢量控制的仿真

4．4 双电机系统最大转矩电流比的仿真系统建立

4．4．1 最大转矩／电流仿真模型的建立

4．4．2 共用桥臂占空比跟踪法仿真模块的建立

4．5 仿真结果与分析

4．6 本章小结

第五章 五相逆变器驱动双电机系统硬、软件设计

5．1 引言

5．2 五相逆变器驱动双电机系统的硬件平台

5．2．1 主电路

5．2．2 电流采样及保护电路

5．2．3 IPM驱动及保护电路

5．2．4 控制电路

5．3 软件实现

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士研究生期间的学术成果