摘 要

本文借助数学软件MATLAB/simulink采用基于SVPWM的转速电流双闭环矢量控制对车用永磁同步电动机的驱动控制系统进行设计和仿真。控制算法采用弱磁控制，恒转矩区采用最大转矩控制策略,恒功率区采用弱磁控制策略。所得结果对于车用永磁同步电机驱动控制系统的分析、设计、调试和算法优化具有重要的指导意义。

论文主要研究了车用永磁同步电机的数学模型、空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术的基本思想、弱磁控制思想和车用永磁同步电机驱动控制系统的硬件系统设计。

研究结果表明：永磁同步电机矢量控制系统具有动态响应和速度控制的特性，有效的验证了单位电流最大转矩控制算法的正确性。

本文的特色：借助MATLAB/Simulink建立并阐述了了永磁同步电动机矢量控制的基本原理和数学模型,并对其进行了仿真。然后根据空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的基本思想,再结合TI公司的数字信号处理器TMS32LF283352(DSP)为控制系统,设计了一套完整的永磁同步电机速度控制系统。

关键词：永磁同步电机；矢量控制；空间矢量脉宽调制；TMS320LF283352

Abstract

In this paper, the mathematics software MATLAB/simulink is used to design and simulate the drive control system of the permanent magnet synchronous motor for vehicle based on the SVPWM-based speed and current double closed-loop vector control. The control algorithm uses weak magnetic control, the constant torque region adopts the maximum torque control strategy, and the constant power region adopts weak magnetic control. The obtained results have important guiding significance for the analysis, design, debugging and algorithm optimization of the permanent magnet synchronous motor drive control system for vehicles.

The dissertation mainly studies the mathematic model of permanent magnet synchronous motor for vehicle, the basic idea of space vector pulse width modulation (SVPWM) technology, the idea of field weakening control, and the hardware system design of drive control system for permanent magnet synchronous motor for vehicle.

The research results show that the permanent magnet synchronous motor vector control system has the characteristics of dynamic response and speed control, which effectively validates the correctness of the unit current maximum torque control algorithm.

The characteristics of this paper: The basic principle and mathematical model of vector control of permanent magnet synchronous motor are established and explained with MATLAB/Simulink, and simulations are carried out. Then based on the basic idea of space vector pulse width modulation (SVPWM) technology, combined with TI's digital signal processor TMS32LF283352 (DSP) for the control system, a complete set of permanent magnet synchronous motor speed control system was designed.

Key words:Permanent magnet synchronous motor; Vector control; Space vector pulse width modulation; TMS320LF283352

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 永磁同步电机及其驱动控制的目的意义 1

1.2 永磁同步电机及其控制算法的发展状况 1

1.3 永磁同步电机及其控制算法面临的挑战 2

1.4 本文工作 3

1.5 本章小结 3

第2章 永磁同步电机结构和原理 5

2.1 三相PMSM的基本数学 模型 5

2.2 三相PMSM的坐标变换 6

2.2.1 三相PMSM的Clark变换 7

2.2.2 三相PMSM的Park变换 8

2.3 PMSM同步旋转坐标系下的数学模型 9

2.4 本章小结 11

第3章 车用永磁同步电机驱动控制系统总体方案确定 12

3.1 总体方案设计 12

3.2 永磁同步电机控制原理 12

3.2.1 单位电流最大转矩控制方法 13

3.2.2 永磁同步电机弱磁控制原理 13

3.3 基于SVPWM的永磁同步电机电流矢量控制算法的设计 14

3.3.1 SVPWM算法原理及实现 15

3.3.2 转速 环调节 器的设计 17

3.3.3 电流环调节器的参数设计 19

3.4 本章小结 20

第4章 车用永磁同步电机驱动控制系统硬件设计 21

4.1 车用永磁同步电机DSP控制系统设计 21

4.1.1 DSP最小系统 22

4.1.2 电源电路 22

4.1.3 复位电路和看门狗电路 23

4.1.4 时钟电路和JTAG仿真调试接口电路设计 23

4.2 主电路功率驱动电路 24

4.3 电流检测电路 25

4.4 系统驱动电路 25

4.4 本章小结 26

第5章 仿真与分析 27

5.1 车用永磁同步电机控制系统仿真 27

5.2 本章小结 29

第6章 总结与展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 永磁同步电机及其驱动控制的目的意义

能源可持续发展与环境保护是二十一世纪全世界面临的主要挑战，即节约能源和保护环境，两大战略极大地促进了新能源汽车技术的迅速发展。新型节能环保型汽车的研发得到各国政府和汽车公司的高度关注和大力支持，电动汽车已成为车辆能量转换的优先选择。近年来，各个国家汽车的动力装置从以燃油发动机混合动力为主，逐渐向燃料电池和纯电动结构发展。电动汽车除了机械系统本体外，还涉及电力电子、电机、储能和控制等电气系统，电动汽车的三大关键技术之—:电机及其驱动控制技术是非常重要的，其控制策略与控制效果直接影响到整个电动汽车的安全性、稳定性和经济性等各项性能指标。

目前,用于新能源汽车的电动机主要有交流感应 电动机、永磁 电机和开关磁 阻电机。新能 源电动汽 车的电机应需要有比较好的控制性以及比较大的容 错率，同时电机运行时的噪声要小，最重要的是电机的效率是否高。相较与开关磁阻电机和传统意义上的同步电机，永磁同步电机具有：电机的结构比较简单，所以体 积小、质量 轻，另外它的损耗比较小，但是电机的效率高、运行可靠、而且电机的形状和尺寸灵活多样等优点,近年来，随着材料科学技术的不断发展，永磁材料性能的不断提高和永磁电机控制。技术的不断成熟，永磁同步电机已经在民 用、航天、军 事等领域得到广泛应用。但是永磁同步电机是一个多变量、强 耦合、非线性和变参数的复杂对象，为获得较好的控制性能，需要对其采用一定的控制算法^[1、2]。

如何提高永磁 同步电机的运行效率，怎样简化驱动及其控制系统的结构、提高控制系统的性能与价格比是适应目前电机驱动及其控制系统的发展方向。本文主要研究设计车用永磁同步电机的驱动及控制系统。电动汽车的驱动控制系统是电动汽车的主要动力来源。其任务是将电池的能量有效地转换为车轮的动能。采用相关矢量控制算法，结合DSP微控制器，对车用永磁同步电机驱动控制系统进行分析设计。

1.2 永磁同步电机及其控制算法的发展状况

最早在1977年出现了采用衫钴永磁材料的永磁电机为无刷直流电机，而一般意义上的无刷直流电机为方波 直流电动机系统，后来又采用第三代NdFeB永磁体材料，具有高磁能积，高矫顽力的特点，并且 将霍尔元件 作为位 置 传 感器，采用三项全桥驱动方式，这样就诞生了无刷直流电机系统开始广泛使用，但是其系统力矩平稳性差；后来为克服方波电机系 统力矩平稳 性差，在之前方波电机系统上又研制开发出正弦波电机系统，称之为永磁同步电机^[3、4]，该系统是带有位置传感器的逆变驱动的永磁同步电机系统。永磁同步电机的优化系统主要对于电机的结构、气隙磁场的设计和计算、绕组电流的控制的研究，1982年G.pfaff从理论上指出了两种获得正弦绕组电流的有效方法^[5]，即静止坐标系下的电流控制方法、电流调节型SPWM控制方法和电流滞环控制控制方法。

目前，在电动汽车驱 动控制系统方面一般采用下面4种：

1. 直流电机 驱动系统，电机一般采用PWM控制方式。电源为直流，励磁方式采用永磁体或者内置式励磁绕组励磁。
2. 交流感应电机驱动系统，电机控制方法一般采用基于各种算法的矢量控制或者基于变压变频调速方式的直接转矩控制系统。
3. 永磁同步电机驱动系统一般采用矢量控制方法。
4. 开关磁阻电机控制系统，电机控制方法一般采用模糊滑模控制方法。

国内外对控制算法进行了大量的研究，主要集中在矢量控制、直 接转矩 控制、无位置传感器控制、弱 磁 控制和解耦 控制等方面。1971,德国西门子F.L. BasChee提出Field Oriented Control(FOC)使交流电机控制理论得到质的飞跃。然而,矢量控制系统相当复杂,这是矢量控制的不足。1985,德国鲁尔大学教授Depenbrock和Takahashi提出了直接转 矩控制(DTC)。其控制结构简单,对电机参数影响不大，能获得较好的动态性能^[6、7]。但也存在一些不足之处。矢量控制和直接转矩控制是目前交流传动领域中两种典型的控制策略,各有其优缺点,先进控制算法在矢量控制系统中的应用是当前研究的热门。例如：采用递归神经网络控制器作为速度控制器来模拟电机参数变化和负载扰动的最佳速度；基于比例积 分微分神经网络(PDE)的小脑模型联合控制器CMAC(PID)被引入永磁同步电机交流调速系统中,取代传统的永磁同步电机双速环速度PI控制器。面向对象的控制系统。结合滑模控制和神经网络各自的优点,设计基于神经网络的永磁同步电机自适应滑 模控制方案。但是目前技术还不是很成熟,还有很多的问题需要去研究^[8]。

1.3 永磁同步电机及其控制算法面临的挑战

高性能电机方面：主要存在电机的磁性能不够理想，电磁兼容问题，电力电子技术不成熟，机械问题，热交换技术，振动性能不足等方面还面临挑战。最大输出转矩与速度曲线、恒功率调速范围、效率分布图是评估车用电机驱动系统的主要判断依据，而并非某一点的最大效率，或者转矩密度的大小。为了使电机具有以上特性，可以从两方面发展:

1. 从电机入手，要求电机结构紧凑、尺寸小质量轻、成本低、效率高。
2. 对驱动控制器提出更高要求，提高电池电压等级，低损耗及更好的冷却系统，大容量控制器等；控制策略以实现可靠性高、失效模式可控等方面进行发展。

今后永磁同步电机控制策略的发展主要有: 继续研究可以实现直接转矩控制的连续电压调节型控制算法。在之前基础上进一步研究永磁同步电机的无位传感器控制技术,在原来基础上继续优化系统性能。之后可以着眼于对更先进的控制 算法进行研究，或者将更先进的控制 算法应用到永 磁同步电机控制中^[9、10]。

1.4 本文工作

本次设计采用的控制算法是基于SVPWM算法的转速电流双闭环矢量控制,采用TMS320LF283352芯片的可编程功能和高速信号处理能力，具有控制精度高、抗干扰能力强等优点。本文设计讨论的主要问题包括以下内容：

1. 永磁同步电机数学模型分析

为了能够更好地对自然坐标系下采用先进的PMSM的基本控制算法对PMSM进行控制，对PMSM进行坐标玄幻，选择合适的坐标系并建立数学模型显得尤为重要，准确全面地对PMSM的数学模型坐标变换进行阐述。

1. SVPWM算法原理

为了更好地获得正弦波电流本次采用三相电量的空间的矢量表示，SVPWM算法实际上使对应于交流电机中的三相电压源逆变器功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合，这种开关触发顺序和组合将在定子线圈中产生三相互差120°电角度、失真较小的正弦波，更好地发挥永磁同步电机的性能，简单地阐述了SVPWM的原理。

1. 基于SVPWM算法的控制系统的设计

对本次采用基于SVPWM算法的矢量控制，进行可行性分析和原理做简单的分析和说明，对控制系统采用弱磁控制的原理进行分析并通过MATLAB/SIMULINK进行建模和仿真，对系统进行分析。

1. 控制系统实现方面的研究

本次设计不仅对车用永磁同步电机的驱动控制系统做了分析和设计，还结合DSP控制器，对车用永磁同步电机的硬件部分也做了相应的设计，对硬件电路由主电路和控制电路两部分进行设计。

1.5 本章小结

本章主要从电动汽车发展的目的和意义出发，详细地叙述了目前主流的电动汽车所选用的电机，以及电动汽车的驱动控制方式，从无刷直流电机的发展开始介绍，经过科学技术不断发展，到后来所广泛使用的永磁同步电机，做了详细的说明，然后了解了国内外电动汽车电机的去驱动及其控制方法，阐述了目前车用电机及其控制系统所用的控制方法所面临的挑战，对本文研究的内容做了简单的说明，也为后续新能源电动汽车的发展打下基础。

第2章 永磁同步电机结构和原理

永磁同步电动机(PMSM)具有 三相定子绕组和 永磁 转子,反电动 势波形为正弦波。为了进行磁场 定向控制,输入到定子的电压和 电流也是正弦的。在转子上永磁体有不同的位置，由此可以将三相永磁同步电 动机的转子结构划分为两类:表面 贴装式和内 置式。表面 贴装式永磁同步电机由于其电机结构比较简单、制造成本相对较低、转动惯量小等优点,设计了表面贴装转子结构中的永磁极,实现了气隙磁密度的优化设计。电机气隙磁密波形趋于正弦波这样可以进一步提高表面贴装式电机的性能。内置式转子结构的永磁同步电机可利用其转子产生的磁阻转矩不对称,用来提高内置式永磁同步电机的功率密度,使电机的动态性能优于附加转子结构,制造工艺简单^[11]。本次设计采用在电磁性能上属于凸级转子结构的内置式永磁同步电机结构，通过对其数学模型的分析于建立从而实现控制。

2.1 三相PMSM的基本数学 模型

三相永磁同步电动机系统的鲜明特性是多 变量、非线 性、强 耦合，为了方便本文的分析，假设如下：

1. 定子绕组是Y 型接法，三相绕组对称分布，各绕 组轴线在空间 互差120度；
2. 假设铁芯 的磁导率是无限 大，忽略定子 铁芯与转子铁芯的饱 和、磁 滞和涡 流的影响。
3. 忽 略电动机参数（绕组 电阻与绕组电感 等）的变化
4. 忽略定子 绕组的齿槽对气 隙磁场分布的影响

根据以上假设，永磁同步 电机的电压方程 可以表示为;

（2.1）

式中，、分别为定子相电压的瞬时值；、、分别为定子相电流的瞬时值；、、分别为定子绕组的全磁链；为绕组电阻。

永磁同步 电机的三相 定子磁链为

（2.2）

式中，（i，j=A,B,C）为自感或互感，当i=j时为定子每相绕组自感，当i≠j时为定子每相绕组互感，为永磁体磁链。

根据 假设，磁路为线性的，则磁场 储能和磁共能为：

（2.3）

由式2.3可求得电磁转矩表达式为：

（2.4）

经化简得：

（2.6）

其中：为三相PMSM永磁同步电机的极对数, 为机械角位移。

另外，电机的机械运动方程为

（2.7）

其中：为电机的机械角速度；为转动惯量；B为阻尼系数；为负载转矩。

2.2 三相PMSM的坐标变换

在对三相 PMSM电 动机数学模型进行化 简过程，常常会引 入不同得坐标系，并将某些物 理量在不同坐标系之间 进行变换，矢量 变换是简化交流电动机复杂 模型的重要数学方法，是交流电动机 矢量控制的基础。坐标变换的目的是将交流电 动机的物理模型变 换成类似直流电动机的模式，这样 变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化^[12]。他们之间的 关系如图2.1所示。

其中ABC为 自然坐标系，α－β为静止坐标系，d－q为同步旋 转坐标系。

1. 各坐标之间的关系

2.2.1 三相PMSM的Clark变换

自然坐标系和静止坐标系之间的转换为Clark变换或者反Clark变换，根据图2.2绘出了ABC和两个 坐标系中的磁动势矢量，按照 磁动势相等的等 效原则，三相合成磁 动势与两相合成磁动 势相等，写成矩阵形式：

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