永磁同步电机场路耦合仿真设计研究

摘要

电机及其驱动是电动汽车的关键技术之一。永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)因其高效率、高功率密度等诸多优点而在电动汽车驱动系统中得到广泛应用，高效可靠的电动车驱动电机系统仿真设计成为当前的研究热点。本文针对PMSM矢量控制的场路耦合仿真设计展开研究，主要工作如下:
　　首先，讨论了内置式PMSM的数学模型、控制系统，矢量控制的原理，以及弱磁策略等。
　　其次，研究了基于MATLAB/Simulink和基于有限元计算的PMSM系统仿真设计，分析了各自的优势与不足。前者能对控制系统和控制算法准确建模，但无法分析电机本身的固有特性。后者能对电机本体精确建模，但无法实现对外电路和控制策略的分析。
　　然后，研究了基于场路耦合时步有限元的PMSM矢量控制系统的设计和分析方法。在ANSYS Maxwell和Simplorer仿真平台中搭建了系统的场路耦合模型，包括电机电磁场分析模型和控制系统模型，给出了各环节的详细设计过程。利用协同仿真技术，实现了对电机起动过程和负载运行的仿真设计。
　　最后，基于场路耦合仿真模型提出了一种电流查询表的PMSM系统最优效率设计方法。以一台15kW的PMSM为研究对象，通过场路耦合仿真，以系统效率最优为目标，设计了其弱磁电流控制表格，并将此表格应用于实际电机控制。仿真分析与实测结果一致，验证了所提出设计方法的正确性和实用性。

目录

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致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 永磁同步电机系统的研究现状

1．2．1 弱磁控制策略

1．2．2 仿真设计方法

1．3 课题研究内容

第2章 永磁同步电机矢量控制和弱磁策略

2．1 永磁同步电机系统

2．1．1 永磁同步电机的结构

2．1．2 内置式永磁同步电机数学模型

2．1．3 永磁同步电机控制系统

2．2 矢量控制基本原理

2．2．1 电压空间矢量的定义

2．2．2 扇区的划分与判断

2．2．3 相邻矢量作用时间计算

2．2．4 三相PWM信号的生成

2．3 基于电流控制的永磁同步电机弱磁策略

2．3．1 公式计算法

2．3．2 电压反馈弱磁方法

2．4 本章小结

第3章 永磁同步电机仿真设计方法

3．1．1 系统仿真模型

3．1．2 仿真结果及实验验证

3．2 基于有限元法的电磁场分析方法

3．2．1 有限元设计方法介绍

3．2．2 仿真结果及实验验证

3．3 本章小结

第4章 永磁同步电机场路耦合仿真设计

4．1 场路耦合法基本原理

4．1．1 场路耦合方程组

4．1．2 场路耦合仿真平台

4．2 基于Maxwell和Simplorer的场路耦合模型搭建

4．2．1 电机电磁分析模型

4．2．2 主电路和控制算法模型

4．3 仿真结果及实验验证

4．4 本章小结

第5章 永磁同步电机系统最优效率设计

5．1 基于电流查询表的弱磁控制

5．2 基于电流查询表的效率优化方案

5．3 场路耦合仿真设计

5．3．1 场路耦合仿宾模型

5．3．2 仿真设计结果

5．4 实验验证

5．4．1 实验平台

5．4．2 实验结果

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果