永磁同步电动机弱磁调速控制方法的研究.pdf一篇弱磁调速的研究生论文，很有参考价值，很有参考价值中文

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详细说明：一篇弱磁调速的研究生论文，很有参考价值，很有参考价值中文摘要中文摘要由于水磁冋步电动机(PMSM)具有体积小、功率密度高、效率和功率因数高等明显优点,目前在电动汽车驱动系统中具有较高的应用价值,国内外学者在这方面的研究取得了不少成果。同时,伴随着电力电子器件和高速微控制器的发展,永磁同步电动机的控制理论研究和实践应用不断完善和提高,永磁同步电动机驱动系统将会有更广泛的应用前景。本文在阅读大量文献的基础上,熟悉了永磁同步电动机dq轴数学模型和矢量控制系统,针对其弱磁控制,从转了磁场定闩和气隙磁场定向两个方面进行了系统的分析和研究,并对驱动系统的控制器进行了仿真和设计。同时,对PMSM 基速以上弱磁控制时存在的电流调节器饱和、不可控问题,设计了带电压外环控制的电流超前角弱磁控制方法,实现了基速以下恒转矩调速和基速以上恒功率弱磁控制,以及两种工作模式的平滑、稳定过渡。本文的主要内窣包括:首先,在永磁同步电动机如轴数学模型的基础上分析了永傚冋步电动机弱磁控制的原坦,讨论了凸极率p和弱磁率ξ对PMSM 弱傚特性的影响,设计了PMSM超前角弱磁控制方法,同时,对PMSM气隙磁场定向的弱磁控制进行了分析,给出了系统控制原理图;在理论分析的基础上, 利用 MATLAB/ SIMULINK对设计的PMSM超前角弱磁控制方法进行了仿真验证;最后,简单介绍了基于DSP的数字控制系统的实现,针对PMSM超前角弱磁控制系统提出了双模式软件设计思想,并给岀了部分程序流程图。关键词:永磁同步电动机(PMSM)弱磁控制电流超前角气隙磁场定向控韦 ABSTRACT ABSTRACT Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) has many advantages in the motor driving system of electrical vehicle because of its excellent performance, such as small cubage, great power density and high efficiency. with the development of the power electronics apparatus and high-speed micro-processor, control theory and industrial applications of PMsM have gradually improved. The driving system of PMSM will have a wonderful future in many domains Based on studying many kinds of references, we grasp the vector control theory of PMSM. The research on the flux-weakening control is made from two aspects rotor flux oricntation and air- gap flux orientation. Then, a novel flux-wcakening control method for the pmsm is proposed It is implemented based on the outer voltage regulation loop which regulates the phase angle of current leading EMF in order to prevent the saturation and uncontrollable status of the current regulator. This flux-weakening scheme realizes constant torque operation below based-speed and constant power flux-weakening operation above based-speed, guarantees correct current regulation under any operation condition, and achieves smooth and fast transition into and out of the flux weakening mode The main contents of this thesis are as follows: firstly, based on the dq mathematical model of the PMsm. this dissertation analyzes the principle of the flux-weakening and discusses the impact of the saliency ratio( p )and flux-weakening ratio(4)on the flux-weakening performances, then presents a new method which called current lead angle flux-weakening control for pmsm based on PI current regulator. Furthermore, in this thesis the air-gap flux orientation for flux-weakening control is analyzed and a block diagram of the control system is given Secondly, by using the emulator tools of MATLAB/SIMULINK, the results of simulations indicate the feasibility and validity of this new scheme. Finally, the digital control system based on DSP of TMS320LF2407 is introduced. In addition the software is brought forward about current lead angle flux-weakening control for PMSM and some flow charts are also presented KEY WORDS: Permanent Magnet Synchronous Motor, Flux-weakening Control, lcad angle, Air-gap Flux O 目录目录第一章绪论… 丰丰:丰丰·:4:::::::::·:::.:·:::::::.·. 1.1课题的提出… 111电动汽车川电动机及驱动系统综述 112永磁同步电动机的矢量控制方法… 12永磁同步电动机弱磁控制的研究现状… 12.1六步电压控制法 12.2虚拟瞬时功率法…………5 1.2.3白适应弱憾控制算法. 1,2,4非线性降维观测器法 ,6 1.25电流调节器法自首非首日目目目,重11非首们首 6 1,2,6直接转矩弱磁控制方法.….17 127改进电动机结构 114L 13本文的研究内容和论文结构… ’型世鲁曹曹曹?曹第二章永磁同步电动机弱磁控制理论分析 21永磁同步电动机dq轴数学模型… ,,,香,,平,,, 2.1.1永磁同步电动机结构及特征 212永磁同步电动机dq轴等效电路及基本特性关系式 .10 213电机参数定义及标幺化 13 2.14永磁同步电动机矢量控制的基本电磁关系. 22永磁同步电动机弱磁控制分析……… .15 221弱磁控制的原坦.…15 222电动机参数对弱磁控制的影响 4444;““品备444444444 17 23基于转子磁场定向的永磁同步电动机弱磁控制方法…..… 23.1永磁同步电动机电流调节器弱磁控制方案 23 23.2永磁同步电动机电流调节器弱憾控制方案二 28 24基于气隙磁场定向的永磁同步电动机弱磁控制方法 24.1气隙磁场定向矢量控制原理……. 3 2.4.2气隙磁场定向弱磁控制系统…….….2 目录 25本章小结 34 第三章永磁同步电动机弱磁控制系统组成、仿真和分析 3.PMSM超前角弱磁控制系统仿真和分析 35 3.1.1超前角弱磁控制环节.….36 31.2电流解耦环节 36 3.1.3驱动 SVPWM环节 3.14控制器参数设计 3.1.5控制系统性能仿真分析…… 42 3.2电流调节器弱磁控制方案二仿真和分析 4 3.3气隙憾场定冋弱控制系统仿真∴….….….… 34木章小结非非,日日日请非非非非非1和,,店非非非非非非非非,.和日目自第四章永磁同步电动机弱磁控制系统的实现甲.,,9日 4.1永磁同步电动机弱憾控制系统仹设 4.1.1永磁同步电动机弱磁控制系统硬件组成. 54 4.1.2数字控制器电路设计 54 42永同步电动机弱僚控制系统软件设计∴56 4.2.1永磁同步电动机弱磁控制程序设计概述……… 暮暮,,蕃 4.2.2恒转矩工作模式 “球 56 4.23恒功率弱磁工作模式 1, 4.2.4系统软件流程图 43本章小结 …63 第五章总结和展望 64 参考文献 …165 发表论文和科研情况说明 69 致谢 170 第一章绪论第一章绪论 1.1课题的提出随着世界人口的增加和经济的发展,汽车的数量急剧上升,预计在50年之内,全球的汽车将增加到2亿5千万辆。如果这些汽车都采用燃油提供动力,将需要大量的燃油供应,并会对自然环境造成巨大的污染。因此世界各国都致力于新能源的开发和研究,以应付巨大的能源需求,缓解环境的污染2 电动汽车具有节约石油资源、减少大气污染等优势,是汽车工业解决能源危机和环境污染这两大突出难题的重要途径,有着广阔的应用前景和巨大的发展空间。电动汽车主要出3个子系统维成14:电气驱动系统、能源系统和辅助系统。其中,电气驱动系统作为电动汽车的核心,其性能和效率的好坏直接影响到电动汽车的整体效率,因此,如何提高和改善电气驱动系统的性能对电动汽车的发展有着十分重要的研究意义和应用价值。电动汽在对于驱动系统的基本要求是习:低速时能输出大的转矩,以适应快速起动、加速、负荷爬坡等要求,高速时能实现宽范围的恒功率调速,适应高速行驶,超车等要求。永磁同步电动机利用弱磁控制,来扩大调速范围,较强的弱磁性能能够在逆变器容量不变的情况下,提高电动汽车的起动、加速能力及低速爬坡能力;或者说在保持系统性能不变的前提下,降低电机的最大功率,从而降低逆变器的容量。目前,随着永磁材料的发展,永磁同步电动机具有体积小、效率高和功率密度高等明显优点,已经成为世界各国电动汽车研究和发展的重点。因此,为了满足和提高电动汽车驱动系统的基本要求,对永磁同步电动机进行弱磁控制硏究有着重要的意义本文正是基于这样的背景,对永磁同步电动机的弱磁控制方法进行了研究, 并对控制系统进行了设计 I.L.1电动汽车用电动机及驱动系统综述电动汽车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具,不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力,而且能够更方便地采用现代控制技术实现其机体化的目标,因而具有更广阔的发展前景。第一章绪论电气驱动系统作为现代电动汽车的核心2,立要包括:电动机、功率电子元器件及控制部分。评价电动车的电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。目前正在应用或开发的电动车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁电动机(PM)、开关磁阻电动机(SRM) 四类。表1-1各种电动机的特性比较 DCM PM IM SRM 最大效率/‰ 85~89 95~97 94~95 不足90 效率/%(10%负载) 80~87 90~92 79~85 78~86 最大转速/r/min) 4000-60004000-10009000-1500不到15000 贵用/(功率(S/kw) 10 10~15 8~12 6~10 控制装置成本 2.5 3.5 4.5 牢固性好好最好好可靠性般好最好好表1-1给出了适合用于电动汽车的几种电动机的特性比较。通过比较可以看出,开关磁阻电动机(SRM)单位质量的输出功率较大,并且允许高速运行, 但亡存在转矩脉动的问题。一般说来,永磁电动机具有效率高、控制装置简单、价格便宜等方面的优势,感应电动机则因其牢圖性和高速性方面的优势而受到青睐。所不同的是,PM电动机的转子为永磁结构,而感应电动机则一般为简单的笼型转子结构。总之,永磁电动机(PM)和感应电动机(IM)更易于实用。下面分别对几种电气驱动系统进行简要分析和说明6,其总体比较如表 1-2所刁直流电动机驱动系统在电动汽车领域最早使用的就是直流电动机。直流电动机结构简单,易于控制,具有良好的电磁转矩控制特性,但是由于采用机械换向结构,维护困难,并产生火花,容易对无线电产生干扰,这对高度智能化的未来电动汽车是致命的弱点。另外,直流电动机驱动系统体积大、制造成本高、速度范围有限、能量密度较低,这些都限制和妨碍了直流电动机在电动汽车屮的进一步应用。感应电动机驱动系统感应电动机现在普遍采用变频驱动方式,常见的变频控制技术有三种:V/F 控制、转差频率控制、矢量控制。20世纪9年代以前主要以脉冲宽度调制(PWM) 方式实现V/F控制和转差颎率控制,但这两种控制技术因转速控制沱围小、转矩特性不理想,而对于需频繁起动、加减速的电动汽车不太适用。近几年,电动第一章绪论汽车感应电动机上要采用矢量控制技术。开关磁阻电动机驱动系统以开关磁阻电动机(SRM)为代表的磁阻电动机是一种很有发展前途的电动机驱动系统。SRM是一种没有任何形式的转子导体和永久磁体的无刷电动机, 它的定子磁极和转子磁极都是凸的。SRM具有转子结构简单可靠、在较宽转速和转矩范围内髙效运行、响应逑度快等优点。但SRM在振动、噪声、转矩脉动控制方式等方面还有许多问题需要解决,目前应用还受到限制。四、永磁电动机驱动系统永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点,又具有直流电动机的调速性能好的优点:且无需励磁绕组,可以做到休积小、控制效率高是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。永磁电动机驱动系统可以分为无刷自流电动机( BLDCM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统。无刷直流电动机( BLDCM)系统具有转矩大、功率密度高、位置检测和控制方法简单的优点,但是由于换相电流很难达到理想状态,因此会造成转矩脉动、振动噪声等问题。对于车速要求不太高的电动汽车驱动领域, BLDCM系统具有一定的优势,得到了广泛的重视和普遍应用。永磁同步电动机(PMSM〕系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点,通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能, 提高电动机的调速范围,因此在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值,已绎受到国内外电动汽车界的高度重视,并在日本得到了普遍的应用國m,是一种比较理想的电动汽车驱动系统。表1-2电动汽车电气驱动系统特性比较 DCM PM IM SRM 控制方式般电大小、质量动高速运转能力机维修性差差差差差优优优股散优优优效率般掉从寸、质量一般优优优优胶般制装控制性一般置功率元件数少优多优多名较多综合评价差优(高效)一般(耐用)铰优第一章绪论随着电力电子技术的发展,先进控制算法如矢量控制、直接转矩控制等在交流电动机驱动系统中的应用,以及高速、高性能专门针对电杋控制和驱动的微处理器的出现,使得交流电动机驱动系统控制日益简单。感应电机具有可靠性髙、成本低的优点,但采用高磁飴积的稀土永磁材料的PMSM,不仅具有以上的优点,同时还可以获得较高的转矩/质量比。永磁同步电动机电气驱动系统以转子轻小、紧凑,同时可以实现更高转速,而成为研究与应用的热点,但PMSM也存在制成后难以调节磁场以控制功率因数和无功功率的缺点,这将成为今后的研究方向。 1.L.2永磁同步电动机的矢量控制方法巾于永磁同步电动机在电动汽车领域日益受到关注,关于PMSM的控制也成为专家、学者研究的重点2。永憾同步电动机驱动系统由永磁同步电动机和逆变器构成,在不超出逆变器自流侧最大电压的条件下,根据电动机输出特性的不同,可以采用不同的电流控制方法,对电枢电流的大小和相位进行控制,获得不同的电流矢量轨迹 1.1.2.Ii=0控制对于PMSM来说,大多采用d轴电流为零(i=0)的控制方式。定子电流中只有交轴分量,且定子磁动势空间矢量与永磁休磁场空间矢量正交,电动机转矩中只有永磁转矩分量,控制简单、计算量小,电动机工作在额定转速以下的恒转矩区,但没有考虑电枢反应对PMSM的去磁问题 1.1.2.2最大转矩/电流控制最大转矩/电流控制也称单位电流输岀电磁转矩最大控制,它是转矩曲线与电流圆的切点组成的一条轨迹,是凸极式PMSM使用较多的一种电流控制策略。寸于隐极式PMSM最大转矩/电流控制就是i=0控制。最大转矩/电流控制充分利用了磁阻转矩,提高了单位电流的转矩输出能力,在输出相同转矩时,减小了定子电流,将电动机铜耗和逆变器的损耗降至最小,提高了逆变器的额定容量, 使亹个系统成本下降,但电流轨迹方程比较复杂,计算量大,实现比较困难。 1.123弱磁控制弱磁控制是目前PMSM的一个研究热点,电动机减弱磁场就可以实现高速运行(转矩也随之减小),因此,直流电机和感应电机都积极地进行弱磁控制, 以便扩展最髙转速。对于PMSM由于转亍是永磁休,不能简单通过控制励磁电

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