基于直接转矩控制的电动汽车永磁同步电机控制系统研究与设计

论文摘要

近几年来电动汽车开始得到迅速发展,在政策、技术与环境等方面都得到了良好的发展机遇。作为电动汽车开发关键技术之一的电机控制技术,永磁同步电机矢量控制在电动汽车开发中得到了广泛运用。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。而在动静态特性、可靠性、结构方面具有诸多优势的直接转矩技术,由于发展较晚,未得到充分研究和运用。论文结合国内外电动汽车与电驱动技术的发展现状,探讨了开展电动汽车永磁同步电机控制直接转矩控制技术研究的背景和意义,分析了当前电机控制及其相关领域技术和产品的发展状况。为正确理解和运用直接转矩控制基本原理,本研究基于永磁同步电机基本结构推导了其数学模型,在该模型的基础上进一步分析了永磁同步电机传统直接转矩控制策略。转矩脉动是制约直接转矩控制广泛运用的一大缺陷。为减少转矩脉动,系统设计采用了基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制技术,实现对目标定子磁链矢量的准确调制和电磁转矩平滑控制。论文结合对两类直接转矩控制技术基本原理和数学模型的分析,构建了相应的控制结构框架。本研究从整车的角度明确了对控制器设计的需求,并在对永磁同步电机直接转矩控制理论模型分析的基础上,构建了电机控制器软硬件平台。硬件开发内容主要包括有控制电路、驱动电路、信号采样电路、通信接口电路以及检测保护电路等的设计。为实现在硬件中的的调试和运行,研究设计了永磁同步电机直接转矩控制软件。系统通过软件主程序实现对DSP芯片外设的配置,并利用主算法的中断处理模块来实现直接转矩控制的基本原理。考虑到抗干扰能力和可靠性直接影响电机控制效果,为提高控制性能,本研究在硬件和软件设计中均采取了相应的抗干扰措施。对永磁同步电机直接转矩控制技术进行验证,并对两种控制技术进行对比,可以有效提高软硬件在功能和性能上的有效性,缩短开发周期并节省成本。本研究在永磁同步电机数学模型和直接转矩控制基本理论分析的基础上,利用仿真软件根据永磁同步电机传统直接转矩控制技术和基于空间矢量调制的直接转矩控制技术分别建立电机控制仿真模型,对上述理论进行仿真和对比分析。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.1.1 研究的背景
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外电动汽车发展现状
• 1.2.1 国外电动汽车发展现状
• 1.2.2 国内电动汽车发展现状
• 1.3 电动汽车永磁同步电机控制技术相关领域发展概况
• 1.3.1 电动汽车用电机选型
• 1.3.2 电力电子器件的发展
• 1.3.3 控制芯片技术的发展
• 1.3.4 永磁同步电机控制技术的研究现状及发展趋势
• 1.4 本研究的主要工作
• 2 电动汽车永磁同步电机控制基本理论
• 2.1 永磁同步电机结构与数学模型
• 2.1.1 永磁同步电机结构
• 2.1.2 永磁同步电机数学模型
• 2.2 永磁同步电机直接转矩控制技术
• 2.2.1 永磁同步电机直接转矩控制基本原理
• 2.2.2 永磁同步电机直接转矩控制策略
• 2.3 基于SVPWM 直接转矩控制的转矩脉动控制
• 2.3.1 空间电压矢量调制（SVPWM）的基本原理
• 2.3.2 基于SVPWM 的永磁同步电机直接转矩控制
• 2.4 本章小结
• 3 电动汽车永磁同步电机驱动控制系统的硬件设计
• 3.1 电动汽车及其电机驱动系统控制模型与功能定义
• 3.1.1 电动汽车驱动系统框架模型
• 3.1.2 电动汽车电机驱动系统功能定义
• 3.2 永磁同步电机控制系统芯片
• 3.2.1 永磁同步电机控制芯片选型
• 3.2.2 TMS320SF2812 芯片参数和功能
• 3.3 控制电路设计
• 3.3.1 辅助电源
• 3.3.2 RESET 电路
• 3.3.3 时钟电路
• 3.3.4 JTAG 引脚电路
• 3.3.5 存储器扩展设置
• 3.3.6 CAN 通信接口电路
• 3.4 驱动电路设计
• 3.4.1 驱动电路结构
• 3.4.2 功率器件的选择
• 3.4.3 IGBT 驱动电路设计
• 3.5 信号采样电路
• 3.5.1 电流采样电路
• 3.5.2 电机转速信号采样电路
• 3.6 检测保护电路
• 3.6.1 IGBT 温度检测电路
• 3.6.2 电压检测电路
• 3.7 电机控制硬件系统的磁兼容（EMI）设计
• 3.7.1 系统电源的电磁兼容设计
• 3.7.2 信号电路的电磁兼容设计
• 3.7.3 振荡电路的电磁兼容设计
• 3.8 本章小结
• 4 电动汽车永磁同步电机驱动控制系统的软件设计
• 4.1 DSP 软件开发系统CCS3.3 功能简介
• 4.2 电机控制系统的主程序
• 4.3 定时器下溢中断处理主要子模块
• 4.3.1 电流A/D 采样与IGBT 电压开关矢量判断
• 4.3.2 IGBT 电压开关矢量判断
• 4.3.3 转速计算模块
• 4.3.4 数字PI 调节
• 4.3.5 定子磁链估算
• 4.4 定时器周期中断故障处理模块
• 4.5 CAN 通信模块
• 4.5.1 电动汽车CAN 通信系统结构
• 4.5.2 电动汽车CAN 网络的基本功能和要求
• 4.5.3 电机节点与其他智能节点间的通信
• 4.6 软件抗干扰设计
• 4.6.1 系统上电自检
• 4.6.2 软件看门狗
• 4.6.3 输入/输出软件的抗干扰措施
• 4.7 软件调试与实验结果
• 4.8 本章小结
• 5 电动汽车永磁同步电机控制系统仿真分析
• 5.1 引言
• 5.2 三相永磁同步电机传统直接转矩控制系统仿真
• 5.3 基于SVPWM 的永磁同步电机直接转矩控制系统仿真
• 5.3.1 参考电压矢量 Vs 生成模块
• 5.3.2 SVPWM 的仿真建模
• 5.4 仿真结果与比较分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录