（电气工程专业论文）内置式永磁同步电机弱磁调速控制方法研究.pdf

r e s e a r c ha n di m p l e m e n tt h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s p e e dc o n t r o lm e t h o do ff i e l dw e a k e n i n g b y g u o z h o n g q i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y a s s o c i a t ep r o f e s s o rl u o d e r o n g a p r i l ，2 0 11 呲ml 3m 66 0m 9引ii-y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独- o r 进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名= 彳臼豸 嗍刚年岁月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的伞部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 哿饽青 罗德孝 日期：加f e t 期：) 卅 年乡月“q 年伊月“日 第l i 页共7 6 页内置式永磁同步电机弱磁调速控制方法研究 摘要 随着全球机动车保有量的不断增加，汽车内燃机排放出的大量有害气体给环 境带来的危害越来越明显的成为一个不可忽视的环境问题，加之石油价格日益攀 升和储量不断下降，使得人们不得不积极寻找一个内燃机的动力替代方案。近几 年来随着永磁材料性能的不断提高和完善，电力电子元器件的飞速发展以及控制 算法的逐渐成熟，促进永磁同步电动机的应用和研发进入了一个新阶段。在这种 背景下，作为汽车工业对环境污染问题最终解决方案的电动汽车有越来越强的趋 势采用永磁同步电机作为动力核心，特别是具有更强扩速能力的内置式永磁同步 电机。因此加强研究和发展高性能内置式永磁同步电动机驱动系统具有重要的理 论意义和实用价值。 本文主要研究内容是对内置式永磁同步电机弱磁控制方法的研究。由于内置 式永磁同步电机基速下采用最大转矩电流比控制方式最佳，本文对其控制模式过 渡到弱磁控制模式的过程进行深入分析探讨，针对定子电流轨迹的特点设计了移 相弱磁控制系统，并通过仿真验证理论正确性以及搭建实验平台验证实际有效性。 本文首先对永磁电机进行了详细分类，在此基础上介绍了内置式永磁同步电 机作为电动汽车动力的优越性。重点分析永磁同步电动机的功率、转矩特性，损 耗及效率特性；建立起永磁同步电动机的数学模型；进而确定了内置式永磁同步 电机基速下采用最大转矩电流比控制方式，而基速上采用弱磁控制方式的控制特 性。在对这两种控制方法的定子电流轨迹进行深入的分析并讨论切换控制模式的 转速点受负载影向情况的基础上，设计出了移相弱磁控制系统并仿真验证。 最后本文利用高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心，搭建了内置式 永磁同步电机移相弱磁控制系统。针对基速下最大转矩电流比和移相弱磁控制做 了空载和负载实验，充分验证了该控制策略的有效性。 关键词：内置式永磁同步电机；弱磁控制；相位角；最大转矩电流比 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eg l o b a lv e h i c l ep o p u l a t i o nc o n t i n u e st oi n c r e a s e ，al a r g en u m b e ro f a u t o m o b i l ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ee m i s s i o n so fh a r m f u lg a s e sh a r mt o t h e e n v i r o n m e n tt ob e c o m eam o r ea n dm o r eo b v i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sc a nn o tb e i g n o r e d ，c o m b i n e d w i t he s c a l a t i n go i lp r i c e sa n dd e c l i n i n g r e s e r v e s ，m a k i n g i t a c t i v e l yl o o k i n gf o ra ni n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n eh a v et h ep o w e ra l t e r n a t i v e s p e r m a n e n tm a g n e t i cm a t e r i a l si nr e c e n ty e a r sw i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to f p e r f o r m a n c e a n d i m p r o v e m e n t o ft h er a p i d d e v e l o p m e n t o fp o w e re l e c t r o n i c c o m p o n e n t sa n dc o n t r o la l g o r i t h m sm a t u r e ，t op r o m o t et h ea p p l i c a t i o no fp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ra n dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t h a se n t e r e dan e wp h a s e i n t h i sc o n t e x t t h ea u t o m o t i v ei n d u s t r ya st h eu l t i m a t es o l u t i o n f o re n v i r o n m e n t a l p r o b l e m so ft h ee l e c t r i c c a rh a st h et r e n do fg r o w i n gu s eo fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o ra st h ep o w e rc o r e ，e s p e c i a l l yw i t ht h em o r er a p i de x p a n s i o no f c a p a c i t yb u i l t - i np e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r t h e r e f o r e ，s t r e n g t h e n i n g r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f h i g h - - p e r f o r m a n c e b u i l t - - i n p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rd r i v es y s t e mh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri sb u i l t i np e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r c o n t r o lm e t h o do ff i e l dw e a k e n i n g b e c a u s eb u i l t - i np e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o rb a s es p e e dt ou s em o r ec u r r e n tt h a nt h em a x i m u mt o r q u ec o n t r o l ，t h i sc o n t r o l m o d et oi t sw e a k e n i n gc o n t r o lm o d eo ft h et r a n s i t i o nt oi n d e p t ha n a l y s i so ft h e p r o c e s s ，f o r t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t a t o rc u r r e n tt r a j e c t o r yd e s i g no ff i e l d w e a k e n i n gp h a s ec o n t r o ls y s t e m s ，a n ds i m u l a t i o nv e r i f yt h et h e o r e t i c a l c o r r e c t n e s s a n dv e r i f yt h ea c t u a le f f e c t i v e n e s so fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r ms t r u c t u r e s t h i sa r t i c l ef i r s tp e r m a n e n tm a g n e tm o t o rf o rad e t a i l e dc l a s s i f i c a t i o n ，i n t r o d u c e d o nt h i sb a s i s ，b u i l t - i np e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rf o re l e c t r i cv e h i c l ep o w e r s u p e r i o r i t y t h i s a r t i c l ef o c u s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sv e c t o rc o n t r o l m e t h o d st od e t e r m i n et h eb u i l t i nb a s e - s p e e dp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r u s e du n d e rt h ec u r r e n tr a t i oo ft h em a x i m u mt o r q u ec o n t r o lm e t h o d ，a n db a s e do nt h e u s eo fs p e e dc o n t r o lo ff i e l dw e a k e n i n gc o n t r o lf e a t u r e s t h e s et w oc o n t r o lm e t h o d s i nt h es t a t o rc u r r e n tt r a j e c t o r yo fi n - d e p t ha n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft h es p e e dc o n t r o l m o d es w i t c h i n gp o i n t sa f f e c t e db yl o a dc o n d i t i o n s ，b a s e do nt h ed e s i g no ft h e p h a s e s h i f tc o n t r o ls y s t e ma n df i e l dw e a k e n i n gs i m u l a t i o n f i n a l l y ，u s i n gh i g h p e r f o r m a n c ed s pc h i pt m s 3 2 0 f 2 8 12a st h ec o n t r o l ，s e tu pa 1 1 i 第1 v 页共7 6 页内置式永磁同步电机弱磁调速控制方法研究 b u i l t p h a s ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rf i e l dw e a k e n i n gc o n t r o ls y s t e m m a x i m u mt o r q u ef o rt h eb a s es p e e dr a t i oa n dt h ec u r r e n tw e a k e n i n gc o n t r o lp h a s e n o - l o a da n dl o a dt e s td o n e ，a n df u l l yv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：i n t e r n a lp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ；f i e l dw e a k e n i n gc o n t r o l ； p h a s ea n g l e r ；m a x i m u m t o r q u ep e ra m p e r e i v 硕士学位论文 i = l 三罩 口习弋 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘j ；j e i i a b s t r a c t ：i i i 目录v 第l 章绪论l 1 1 课题背景及意义1 1 2 永磁同步电机分类及其性能特点2 1 3 永磁同步电机弱磁调速控制方法研究现状与趋势3 1 3 1 从改进控制方法角度提高永磁同步电动机的弱磁能力4 1 3 2 从电机结构设计提高永磁同步电动机的弱磁能力5 1 4 课题主要工作5 第2 章永磁同步电动机的矢量控制原理7 2 1 坐标变换理论7 2 1 1 变换原理7 2 1 2 功率不变条件下的坐标变换矩阵8 2 1 3 矢量控制坐标变换矩阵9 2 2 永磁同步电动及数学模型1 2 2 3 1 电压极限椭圆1 7 2 3 2 电流极限圆1 9 2 3 3 恒转矩轨迹1 9 2 4 永磁同步电机定子电流控制策略2 0 2 4 1 i d = o 控制2 0 2 4 2 c o s 巾= 1 控制2 2 2 4 3 最大转矩电流比控制2 3 2 4 4 三利- 电流控制策略的比较2 6 2 5 永磁同步电动机的弱磁控制2 6 2 5 1 永磁同步电动机弱磁控制的基本原理2 6 2 5 2 最大输入功率弱磁控制2 8 2 5 3 电机参数对弱磁控制的影响一2 9 2 6 本章小结3l v 第v i 页共7 6 页内置式永磁同步电机弱磁调速控制方法研究 第3 章内置式永磁同步电机移相弱磁控制策略一3 2 3 1i p m s m 的两个弱磁区间3 2 3 2i p m s m 移相弱磁控制方案3 5 3 2 1 角度运算器和弱磁控制器的设计3 6 3 2 2 最大转矩电流比控制模块3 9 3 2 3 电流解耦环节4 l 3 3i p m s m 移相弱磁控制系统仿真分析4 2 3 4 本章小结4 8 第4 章内置式永磁同步电机移相弱磁控制系统的实现4 9 4 1i p m s m 移相弱磁控制系统硬件设计4 9 4 1 1 逆变器主电路4 9 4 1 2d s p 控制电路结构5 l 4 1 3 速度与位置检测5l 4 2i p m s m 移相弱磁控制系统软件设计5 2 4 2 1 中断处理5 3 4 2 2 p w m 周期中断5 4 4 2 3 数值计算5 4 4 2 4 故障处理5 5 4 3i p m s m 移相弱磁控制系统实验验证5 5 4 4 本章小结 5 8 结论5 9 参考文献6 l 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 4 附录b攻读学位期间所参加项目目录6 5 j i i 【 谢6 6 v l 硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 在世界经济的发展的带动下，汽车已经成为人们日常生活中的重要交通工具。 预计到2 0 1 0 年世界汽车保有量将达到l o 亿辆，而且数目还在以几千万辆每年的 速度增长。在这种情况下，汽车内燃机排放出的大量有害气体给环境带来的危害 越来越紧迫的成为一个不可忽视的环境问题，加之石油价格日益攀升和储量不断 下降，使得人们不得不积极寻找一个汽车动力的替代方案【l ，2 】。 电动汽车具有能源利用率高、无有害气体排放等优势，是在能源危机和环境 保护这两大世界性问题下汽车工业新的发展契机，有着广阔的市场前景和巨大的 发展空间。电气驱动系统、能源系统和辅助系统是电动汽车主要的3 个组成予系统 【3 4 1 。其中，电气驱动其系统效率和性能的好坏直接影响到电动汽车的整体性能， 是电动汽车驱动的核心部分，因此，如何改善和提高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。电动汽车驱动系统的基本特点 是：低速时，尤其是在在快速起动、静止加速、负荷爬坡等情况下能输出大的转 矩，在高速路段行驶，超车等高速情况下能实现宽范围的恒功率调速。电动汽车 本身的这些特点，也对电机及驱动系统提出了更高的要求5 1 。 表1 1 主要几种电机性能比较 19 8 3 年，剩磁高、矫顽力大的钕铁硼稀土永磁材料的问世，充分提高了永磁 同步电机的性能指数。新型永磁材料的广泛应用，促进了电机内部构造、设计方 法、制造工艺和控制方法等方面的革新，使得永磁同步电机从可靠性到性能再到 运行时成本上有了质的飞跃。永磁体励磁取代电励磁，降低电机的复杂程度，不 再使用机械元件集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。因为采用永磁体励磁， 减少了励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度【6 ，丌。表1 1 给出了永磁同步电机 相较于其他电机的性能及可靠性优势。 内置式永磁同步电机弱磁调速控制方法研究 9 0 年代，随着永磁材料性能的进一步完善，同时电力电子器件性能指数向着 高频率，大容量方向变化，使永磁同步电动机正向大功率、超高速、大转矩、高 性能化、微型化和智能化方向发展。d s p 等高性能控制芯片的应用更是使控制永 磁同步电机得以在基速下运行在最大转矩电流比模式，并在基速上运行于弱磁控 制模式成为了可能。在这种复杂的控制方式下，永磁同步电机低速时输出大转矩， 可以带动汽车快速启动；高速时在变频器容许范围内恒功率弱磁，满足车辆超车， 高速行驶等要求。 本文正是基于这样的背景对永磁同步电机调速系统进行了研究，进而设计出 全范围调速双模控制系统，并完成了相关实验。 1 2 永磁同步电机分类及其性能特点 永磁电机经过几十年的发展，产生了很多不同的种类。首先，根据定子输入 电流类型划分可以分为永磁直流电机( p m d c ) 和永磁交流电机( p m a c ) 。永 磁直流电机具有普通电励磁直流电机所具备的下垂的机械特性、线性的调节特性、 调速范围宽和便于控制等特点外，还具有体积小、效率高、结构简单和运行可靠 的特点。永磁直流电机主要运用于小功率场合。永磁交流电机可以根据输入交流 电流波形特点分为矩形波永磁同步电机( b l d c m ) 和正弦波永磁同步电机( p m s m ) 。 矩形波永磁同步电机又叫无刷直流电机，是在有刷直流电机的基础上发展起来的， 其内部发生的过程与普通直流电动机类似。正弦波永磁同步电机根据其转子磁路 结构可以分为表面式( s p m s m ) 和内置式( i p m s m ) 两大类【8 】。以上分类情况如图 1 1 所示。 p m d cm a c h i n e sp m a cm a c h i n e s s u r f a c em a g n e t st y p ei n t e r i o rm a g n e t st y p e ( s p m s m )( i p m s m ) 图i 1 永磁电机分类 表面式转子磁路结构中永磁体一般呈瓦片状，位于转子铁心的外表面如图1 2 ( a ) ：而内置式转子磁路结构的永磁体位于转予内部，永磁体受到极靴的保护如 图1 2 ( b ) 所示。由于永磁材料的相对复导率接近l ，而铁磁材料的磁导率很大， 2 硕士学位论文 所以表面式具有隐极转子结构特点( 即k ) ；而内置式转子结构则属于凸 级结构( 即x 耐 ( 2 5 8 ) 式中，力为数学上的拉格朗日乘子。 上式求导计算，得到一组微分方程组，计算过程中屯的值为负，并有条件 l a 岛，求出d 轴电流 一吩+ 螃+ 4 ( l a - l q ) 2 弓盼一谚+ 4 ( p - 1 ) 2 历名 1 , 4 = = - - - - - - - - ：- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一=