永磁同步电动机高效驱动控制系统设计

摘要

本文主要目的是建立以数字信号处理器DSP为基础的能够应用于盘式永磁同步电动机的最佳效率控制结构。本文从推导电动机的数学模型出发,首先建立了三相系统下电压及电磁转矩方程。因在三相系统下,电磁转矩与电流及转子交轴对应定子A相磁轴的位移角呈非线性且时变关系,在分析与控制上比较复杂,为此采用坐标变换的方法,建立了转子参考轴坐标系下的电压与电磁转矩平衡方程。进而通过对电动机功率与效率的分析,推导出了同步电机的效率与电压触发相位角关系表达式,通过对该表达式求微分,推导出了最佳效率控制的策略。
　　 在硬件实现上,利用数字信号处理器和外围电路来完成控制系统的搭建,介绍了数字信号处理器TMS320LF2407A的基本结构和功能,论述了编码器以及相应的信号处理电路,介绍了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的逆变器及其门极驱动电路。为实现控制要求,还介绍了电动机转子侧等效至定子侧的磁链测量与计算问题,分析了转速的计算问题。
　　 在软件设计上,论文给出了软件控制流程。因所采用的DSP为定点DSP,为在定点DSP上实现浮点运算与控制,提出了数据的Q格式的方法,实现了浮点数的定点表示方法,进而给出了数字PI调节器在DSP上的实现方法。
　　 为改善系统的控制性能,进一步提高电源利用率,本文论述了采用空间矢量PWM控制实现用此同步电动机的双闭环SVPWM控制。为实现这一目的,本设计分析了了从三相旋转坐标系到两相旋转坐标系再到两相静止坐标系的坐标变换,得出了这两种坐标变换的变换矩阵与逆变换矩阵,从而完成了永磁同步电动机SVPWM控制系统。
　　 在完成了硬件系统搭建以后,进行了电动机控制系统的稳态实验,通过给定不同的固定负载,设定不同的转速情况下,改变电压触发初相位角,分析不同初相位角度下的电动机的效率,进而分析电动机运行于最佳效率时,如何设定定子线圈绕组的电压触发移位角,并且按照此资料建立程序资料库,作为动态试验的依据。
　　 在动态实验时,分析了在外接轻载转矩和外接重载时,改变永磁电动机转速时,电压触发初相位角度如何进行修正,进而使永磁同步电动机保持的最佳效率的工作状态。
　　 在稳态实验和动态实验中通过对永磁同步电动机对应的Q轴感生电动势相位与相电压、相电流相位的波形观察,验证了了理论分析的正确性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 研究背景

1.3 研究目标与重点

第二章 永磁同步电动机的数学模型

2.1 本章概述

2.2 三相系统下的电压及电磁转矩方程式

2.3 转子参考轴坐标系下电压与电磁转矩平衡方程

2.4 最佳效率控制方法的推导

2.5 本章结论

第三章 硬件电路与控制流程

3.1 本章概述

3.2 TMS320LF2407A DSP简介

3.2.1 TMS320LF2407A DSP的特点

3.2.2 TMS320LF2407A DSP的引脚与封装

3.2.3 利用TMS320LF2407A DSP生成PWM波

3.2.4 TMS320LF2407A DSP的增量式编码器接口

3.3 外围电路

3.3.1 编码器外围电路

3.3.2 IGBT主电路及其门极驱动电路

3.4 电动机参数测量与起动模式

3.4.1 感应电动势(ωrψm)的初始角校正

3.4.2 转子等效至定子侧磁通链ψm的测量

3.4.3 起动模式

3.4.4 转速的计算

3.5 程序设计

3.5.1 系统结构图与软件流程图

3.5.2 定点DSP的数据Q格式表示方法

3.5.3 数据的标么化处理

3.5.4 数字PI调节器的DSP实现方法

3.5.5 公式计算

3.5.5 系统程序流程图

3.6 双闭环SVPWM控制系统设计

3.6.1 矢量控制基本原理

3.6.2 矢量控制的坐标变换

3.6.3 永磁同步电动机双闭环SVPWM矢量控制

第四章 稳态分析

4.1 本章概述

4.2 固定负载不同电压触发角度的效率

4.2.1 电动机转速为100rpm时的效率

4.2.2 电动机转速为150rpm时的效率

4.2.3 电动机转速为200rpm时的效率

4.3 本章结论

第五章 动态分析

5.1 本章概述

5.2 最佳效率的电压触发位移角的修正

5.2.1 外接轻载(2Nm)时改变同步电动机的转速

5.2.1 外接重载5Nm时改变同步电动机转速情况

5.3 本章结论

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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