基于DSP的永磁同步电机直接转矩控制的研究和仿真

论文摘要

电动汽车以电能为能源,具有零排放无污染的突出优点,应用前景十分广阔。电机及其驱动控制系统是电动汽车动力系统中的核心部分,本论文结合湖北省科技攻关项目-电动汽车用永磁同步电动机智能控制系统,开展了基于DSP的永磁同步电机直接转矩控制系统及其改进的控制算法的研究,并尝试将直接转矩技术理论应用在电动汽车驱动控制系统中,提供了理论和初步的实践依据。论文首先介绍了永磁同步电机结构、优点及其在不同坐标系下的数学模型,对现有永磁同步电机控制方式进行了分析,其后采用空间电压矢量理论分析直接转矩控制原理,并介绍了定子磁链和电磁转矩的控制准则,为全文的分析奠定了基础。矢量控制和直接转矩控制是当今交流传动领域两种典型控制方案,本文在对比了两种控制方案的基础上分析了控制方式内在联系,对PMSM DTC系统进行了建模,其后借助Matlab/Simuink仿真工具进行系统仿真,结果验证了直接转矩控制动态响应迅速,但是存在转矩和磁链脉动较大的缺点,稳态时转矩脉动达0.6N.m。其后结合空间矢量调制原理,建立了基于磁链补偿的改进型直接转矩控制（SVM-DTC）仿真模型,在不改变系统硬件结构的条件下获得更多的连续变化的合成电压空间矢量,进而实现对电机磁链、转矩更精确的控制,此方案稳态时转矩脉动仅为0.3N.m,从而有效的降低了转矩和磁链的脉动。通过对比PMSM DTC仿真进行分析,仿真结果验证了改进直接转矩控制策略的有效性。定子磁链的准确观测是实现高性能直接转矩控制的重要环节之一,一方面定子磁链影响空间电压矢量的选择,即由于观测误差导致准确判断扇区失误,造成转矩控制策略失败。通过引入具有限幅的改进定子磁链积分器观测,从而在较宽的调速范围对磁链进行更准确的观测。定子电阻的变化也影响定子磁链的观测效果,本文分析了定子电阻的变化引起观测磁链误差。在完成理论推导和仿真验证的基础上,构建了基于TMS320LF2407 DSP出永磁同步电机控制系统硬件平台,详细介绍了硬件个模块的实现方法,并给出了软件流程和DTC控制算法的程序设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 交流电机变频调速系统的现状和应用
• 1.2 永磁同步电机的结构及其特点
• 1.3 永磁同步电机的控制方式现状
• 1.4 永磁同步电机驱动装置在电动汽车上的应用
• 1.5 电动汽车用永磁同步电机控制的牵引特性
• 1.6 本课题的研究内容
• 1.7 本论文的课题资助
• 第2章 永磁同步电机的数学模型
• 2.1 空间矢量原理
• 2.2 坐标变换理论
• 2.3 永磁同步电机的电压和磁链模型
• 2.3.1 永磁同步电机的空间矢量
• 2.3.2 永磁同步电机在转子坐标系下数学模型
• 2.3.3 永磁同步电机在静止坐标系下电机模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 永磁同步电机直接转矩控制方案
• 3.1 永磁同步伺服系统控制策略比较和内在联系
• 3.2 永磁同步电机的直接转矩控制主要的组成部分
• 3.2.1 电流电压3/2变换
• 3.2.2 定子磁链观测器和转矩观测器
• 3.2.3 定子磁链幅值和电磁转矩的滞环比较器
• 3.2.4 逆变器生成空间电压矢量
• 3.2.5 定子磁链分区与决策输出开关表
• 3.2.6 定子磁链和电磁转矩的控制准则
• 3.3 PMSM DTC控制仿真系统的实现
• 3.3.1 永磁同步电机转矩直接控制方案的仿真研究
• 3.3.2 本文系统仿真中涉及问题
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于空间矢量调制的直接转矩控制方案
• 4.1 SVM-DTC的控制方案
• 4.1.1 参考矢量的生成
• 4.1.2 参考电压区间判断
• 4.1.3 相邻两电压空间矢量作用时间
• 4.1.4 电压空间矢量切换点
• 4.2 PMSM SVM-DTC实现原理
• 4.3 PMSM SVM-DTC的控制仿真模型
• 4.4 本章小结
• 第5章 永磁同步电机定子磁链观测器的分析
• 5.1 永磁同步电机定子磁链观测器改善的意义
• 5.2 定子磁链估计误差因素分析
• 5.2.1 纯积分器引起定子磁链磁误差与补偿
• 5.2.2 定子电阻变化引起定子磁链误差
• 5.2.3 转子磁极初始定位
• 第6章 电动汽车用PMSM DTC设计
• 6.1 永磁同步电机转矩直接控制系统的硬件结构
• 6.1.1 主电路设计
• 6.1.2 控制回路设计
• 6.2 永磁同步电机转矩直接控制系统的软件编程
• 6.2.1 软件总体框架
• 6.2.2 DTC控制算法的数字化实现
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢