电动汽车用PMSM基于预期电压矢量法的直接转矩控制研究

摘要

发展纯电动汽车等新一代的清洁节能型汽车成为应对能源短缺和环境污染、实现汽车行业可持续发展的重要途径和必然趋势。永磁同步电动机(PMSM)以其高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声等特点，在电动汽车驱动领域具有很高的应用价值，已受到业界的高度重视。作为PMSM高性能控制之一的直接转矩控制(DTC)近年来受到广泛关注和深入研究，其优秀的动态响应性能及对电机参数的鲁棒性，特别符合电动汽车的运行环境和实际需要，本文将DTC作为电动汽车主驱动PMSM控制策略，从以下几个方面展开研究：
　　首先分析了永磁同步电机的结构和特点，给出PMSM的数学模型，探讨了直接转矩控制在PMSM上运用的理论基础，指出PMSM直接转矩控制和矢量控制的内在联系和本质区别。
　　其次，给出了传统直接转矩控制系统的结构框图，在对电动汽车进行详细负载特性分析的基础上建立了电动汽车的模型，并在Matlab/Simulink仿真环境下结合汽车模型和运行工况对传统PMSM-DTC进行了仿真验证。
　　再次，针对传统DTC磁链和转矩脉动大的问题，引出了基于负载角增量△δ_sm的预期电压矢量直接转矩控制方法。并在此基础上使用基于磁链和转矩解耦的预期电压空间矢量控制加以改进，结合电动汽车运行工况的仿真验证表明，其稳态和动态性能比传统DTC有明显改善。
　　最后，在完成理论研究和仿真验证的基础上，设计并自制了基于Freescale公司56F8345 DSP的PMSM-DTC实验平台；并且在软件开发环境Codewarrior中进行程序代码的编写与调试。

目录

文摘

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致谢

插图清单

第一章 绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.2 电动汽车电驱动系统发展概况

1.2.1 电驱动系统的特殊要求

1.2.2 电驱动系统的分类

1.2.3 电驱动系统的传动方式

1.3 基于直接转矩控制的PMSM驱动系统研究现状

1.3.1 直接转矩控制的提出

1.3.2 PMSM－DTC的发展历程

1.4 论文主要研究内容

第二章 三相永磁同步电机直接转矩控制的基本原理

2.1 永磁同步电机的分类

2.2 坐标变换理论

2.3 三相永磁同步电机的数学模型

2.4 永磁同步电机直接转矩控制基本原理

2.4.1 磁链和转矩控制原理

2.4.2 定子电压矢量的调制

2.4.3 定子磁链矢量运行轨迹

2.5 本章小结

第三章 电动汽车用PMSM常规直接转矩控制研究

3.1 常规PMSM直接转矩控制系统

3.1.1 定子磁链和电磁转矩估计

3.1.2 开关电压矢量的合理选择

3.2 电动汽车负载特性

3.2.1 电动汽车动力学分析

3.2.2 电动汽车建模

3.3 基于传统DTC的电动汽车主驱动系统性能仿真

3.3.1 仿真模型及工况

3.3.2 仿真结果分析

3.4 本章小结

第四章 电动汽车用PMSM预期电压矢量DTC研究

4.1 PMSM传统直接转矩控制存在问题分析

4.2 基于负载角增量的预期电压空间矢量调制

4.2.1 基于△δsm的预期电压矢量调制原理

4.2.2 基于△δsm的预期电压矢量调制仿真分析

4.3 基于磁链和转矩解耦的预期电压空间矢量调制

4.3.1 基于磁链和转矩解耦的预期电压空间矢量调制原理

4.3.2 基于磁链和转矩解耦的预期电压空间矢量调制仿真分析

4.4 本章小结

第五章 电动汽车用PMSM直接转矩控制系统数字化实现

5.1 控制系统的硬件设计

5.1.1 主控芯片选型

5.1.2 上电逻辑控制电路

5.1.3 转速信号采集电路

5.1.4 相电压检测电路

5.1.5 相电流采样及过流保护电路

5.1.6 IGBT模块驱动电路

5.2 控制系统的软件设计

5.2.1 主程序

5.2.2 PWM重载中断服务子程序

5.2.3 A/D采样结束中断服务子程序

5.2.4 INDEX中断服务子程序

5.2.5 FAULT中断服务子程序

5.3 实验平台与设备

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文