基于永磁同步电机的矿用电机车驱动系统研究

摘要

矿用电机车煤矿井下运输中扮演重要角色。随着电力电子技术的不断发展，以及先进控制理论的应用，矿用电机车驱动控制系统由原有的直流电机或异步电机驱动，逐渐被永磁同步电机所取代。永磁同步电机(PMSM)与直流电机和异步电动机相比，具有效率高，功率密度大，输出转矩高，功率因数高等优势，已在工业生产中得到广泛应用。因此，采用永磁同步电机可以有效地提高矿用电机车的运输性能。
　　本文根据矿用电机车驱动系统的设计需求，提出基于磁场定向策略的电机控制系统。此外，本文还提出一种无位置/速度传感器控制理论，以进一步提高系统性能。
　　本文首先分析了永磁同步电机的三相数学模型和坐标变换理论。在此基础上，得出永磁同步电机的dp轴系数学模型。然后对磁场定向控制原理展开论述，找到最合适的方法提高驱动系统的性能和效率。
　　根据对永磁同步电机的dp轴系数学模型的进一步研究，提出一种新的数学模型，并定义EEMF，即扩展电动势。在扩展电动势中，不仅包含转子位置信息，还包含在定子电感。因此，只需通过对EEMF的分析，便可以得到转子位置信息和转子转速。由此实现了对永磁同步电机的无位置传感器控制。
　　在理论分析的基础之上，应用Matlab/Simulink仿真软件，对上诉控制策略进行仿真验证，以确定理论的正确性。最后，通过合理的软硬件设计，完成对矿用电机车驱动系统的研究。
　　综上所述，本文将磁场定向控制策略和无位置传感器控制方法应用于矿用电机车驱动系统中。实现了减小系统复杂程度，获得高动态性能和稳定转速。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 矿用电机车驱动控制系统发展现状

1．3 永磁同步电机控制系统概述

1．4 本文的主要工作和内容

2 永磁同步电机控制系统

2．1 同步电机数学模型

2．1．1 同步电机基本数学模型

2．1．2 坐标变换

2．1．3 同步电机dq坐标系的数学模型

2．2 永磁同步电机数学模型及特性

2．2．1 永磁同步电机的数学模型

2．2．2 永磁同步电机的特性

2．3 永磁同步电机的磁场定向控制基本方法

2．4 转子磁链定向控制原理

2．5 永磁同步电机磁场定向控制系统

2．5．1 永磁同步电机矢量控制系统框图

2．5．2 坐标变换单元

2．5．3 电压前馈UMO单元

2．5．4 电流控制系统

2．5．5 速度控制系统

2．6 本章小结

3 永磁同步电机无位置传感器控制系统

3．1 永磁同步电机动态模型

3．2 干扰观测器设计

3．3 转子位置和转速的估算

3．4 本章小结

4 永磁同步电机控制系统仿真

4．1 永磁同步电机矢量控制仿真模型建立

4．1．1 永磁同步电机模型选择

4．1．2 PI调节器

4．1．3 SVPWM生成模块

4．2 仿真结果

4．2．1 永磁同步电机磁场定向控制策略仿真

4．2．2 转子位置及转速估算仿真

4．3 本章小结

5 系统的硬件电路设计

5．1 系统硬件结构总体设计

5．2 控制板电路分析

5．2．1 英飞凌XE164FN介绍

5．2．2 XE164FN最小系统

5．2．3 switch开关电路

5．2．4 电位器采样电路

5．2．5 温度保护电路

5．2．6 主接触器驱动电路

5．2．7 复位电路与看门狗电路

5．2．8 串口通讯电路

5．2．9 SPI通讯电路

5．2．10 CAN通讯电路

5．3 驱动板电路分析

5．3．1 开关电源电路

5．3．2 电流采样电路

5．3．3 预充电与放电电路

5．3．4 MOS管的驱动电路

5．4 功率板电路分析

5．5 本章小结

6 系统的软件设计

6．1 系统软件总体设计

6．2 系统初始化

6．2．1 初始化自检程序

6．2．2 程序初始化工具

6．3 主循环程序

6．4 中断服务子程序

6．4．1 AD采样中断

6．4．2 矢量控制中断

6．4．3 PI调节器设计

6．4．4 CAN通讯

6．5 本章小结

7 结果与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果