论文总字数：20063字

摘 要

随着电力电子技术、控制理论、永磁材料、电机制造技术以及数字信号处理器（DSP）的发展，永磁同步电机（PMSM）因其体积小、结构简单、损耗少、效率高等优点在交流伺服领域获得了广泛的应用，因此对永磁同步电机（PMSM）的研究具有非常大的意义和价值。

本文首先介绍了永磁同步电机的结构，建立了相应数学模型，然后深入研究了PMSM矢量控制理论，最后经过综合分析采用id＝0 矢量控制方案。采用转速和电流双闭环控制方式和空间矢量脉冲调制方式（SVPWM），另增加一条直流链路保持直流升压电路的稳定输出，采用电压电流双闭环控制方式，控制方案中所有控制器均选择PI调节器。硬件方面采用DSP FPGA双核处理器，DSP芯片型号为TMS320F28335。最后在MATLAB/Simulink中对矢量控制系统进行了仿真，验证了系统和所采用调节器的可行性。

关键词：直流链路；PMSM矢量控制系统；SVPWM；PI控制器。

Abstract

As the power electronic technology, control theory, permanent magnet materials, motor manufacturing technology and the development of digital signal processor (DSP), permanent magnet synchronous motor (PMSM) because of its small volume, simple structure, less waste, higher efficiency obtained widespread application in the field of ac servo, therefore the research of permanent magnet synchronous motor (PMSM) has great significance and value.

This paper first introduces the structure of permanent magnet synchronous motor, establishes the corresponding mathematical model, then deeply studies the vector control theory of PMSM, and finally adopts the vector control scheme of id = 0 after comprehensive analysis. Speed and current double closed-loop control mode and space vector pulse modulation (SVPWM) are adopted. Another dc link is added to maintain the steady output of the dc boost circuit. Voltage and current double closed-loop control mode is adopted. Hardware uses DSP FPGA dual-core processor, DSP chip model is TMS320F28335. Finally, the vector control system is simulated in MATLAB/Simulink, and the feasibility of the system and the regulator is verified.

Key Words：DC link; PMSM vector control system; SVPWM; PI controller.

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 设计背景及其研究意义 1

1.2 国内外研究现状分析 2

1.3 本文主要研究内容和结构安排 3

第2章 永磁同步电机的数学模型 4

第3章 永磁同步电机矢量控制系统的整体设计方案 7

3.1 直流链路电压控制器 7

3.2 永磁同步电机矢量控制系统 7

第4章 直流链路电压控制器设计 8

4.1 Buck-Boost双向DC-DC变换器的结构 8

4.2 boost变换器的占空比 8

4.3 电压电流双闭环控制方式 9

4.4 PI控制器 10

4.5本章小结 10

第5章 永磁同步电动机矢量控制系统设计 11

5.1矢量控制基本原理 11

5.2永磁同步电动机的矢量控制策略 11

5.3 SVPWM技术 12

5.3.1 SVPWM技术基本原理 13

5.3.2 SVPWM技术的实现算法 16

5.3.3 SVPWM算法的实现过程 17

5.4 PI控制器的参数整定 19

5.4.1 永磁同步电机的运动过程分析 19

5.4.2 电流反馈环节PI调节器的设计 20

5.4.3 速度反馈环节PI调节器的设计 20

第6章 永磁同步电机矢量控制系统的Matlab仿真 22

6.1 直流链路电压控制器仿真 22

6.2 永磁同步电机矢量控制系统仿真 23

6.2.1 仿真电机模型 23

6.2.2 SVPWM封装模块参数设置 24

6.2.3 控制环参数设置 25

6.2.4 仿真结果分析 25

第7章 永磁同步电机矢量控制系统的硬件设计 26

7.1 整体设计方案 26

7.2 各模块主电路设计 27

第8章 总结与展望 30

参考文献 31

致 谢 32

第1章 绪 论

1.1 设计背景及其研究意义

在21世纪，减少能源消耗，发展可再生能源交通工具，特别是电动汽车（EV）是世界潮流、大势所趋。2007年，期刊《交通科技与经济》中提到“提供一种性能较好、遮风挡雨的廉价型低费用的清洁交通工具，作为替代型的私人代步工具具有现实而庞大的市场。”[1]轻型电动车（LEV）就是目前可见的最有前途的方向之一。基于蓄电池供电的电动车因其工作效率高、技术相对成熟、供能链污染小并且易于产业化的优势，逐渐受到人们的青睐。

传统的燃油汽车的能耗主要由两个过程构成，分别是石油开采和路上排放。而电动车本身由车载电池提供能源，没有尾气排放，所以电动车相对要节能很多。并且随着对现代电力系统的深入研究，发电效率远高于过去，不断提高电动机的效率，到目前为止已经远超内燃机了，这就使得电动机总能耗更低，也更节能。2011年，我国环保部发布的《中国机动车污染防治年报》中显示，汽车尾气排放造成的污染是使城市空气污染愈发严重的主要原因。[2]由上述分析可知，整治汽车尾气污染迫在眉睫，目前的社会发展需要一种清洁的交通工具。目前而言，电动车是最好的选择，车载电池提供能源没有尾气排放的特点可以尽可能地减轻汽车尾气污染，在环境污染日趋严重的今天该优点显得尤为重要。现如今，电动车在世界各国受到了广泛欢迎，大力发展电动车产业已成为主流趋势，更是符合我国所提倡的节能减排的要求。

只有技术的进步才能不断推动电动车的发展，为了提升电动汽车驱动系统的水平，对电机驱动系统的研究就必须提上日程。电机驱动系统共包含5大模块，车载电源提供能量，功率转化器将能量转化为电机的动能，电机产生转速使车辆移动，控制器负责调控车辆的转速和功率等，各类检测器负责反馈车辆相关信息。目前应用于电动车中的驱动电机主要分两类：直流类和交流类。直流类包含直流电机和直流无刷电机，交流类包含感应电机、开关磁阻电机、和永磁同步电机。

直流电机调速简单方便，所以在技术不发达时期最早投入使用，但其体积、质量比较大且效率低，很快被淘汰。开关磁阻电机优缺点并存，优点是启动转矩大且运行牢靠，因此设备维护量小同时电机效率很高，缺点是噪音太大，对环境要求高。感应电机在美国得到广泛应用，因其结构简单、运行可靠、性价比高，但由于控制策略复杂，效率不高；直流无刷电机输出转矩大、功率密度大，但是输出转矩有波动，控制精度不高。

永磁同步电机（PMSM）是近年来研制的一款交流电机，电机的运行效率得到提升，输出转矩密度更大，控制精度更高，电机运行时的噪音更低，优于上述电机，因此永磁同步电机一经问世就受到广泛欢迎，具有很好的前景。在电动车中，永磁同步电机体积小的优点非常满足电动车安装空间有限的特点。并且永磁同步电机没有转子铜损和输出转矩大，更加贴合电动车对损耗和启动的要求。而且永磁体的原材料是稀土，我国是稀土资源最丰富的国家，本身具有得天独厚的优势。

1.2 国内外研究现状分析

在电动车中应用永磁同步电机作为驱动电动机已经成为现如今的主流，所以国内外很早就对此进行了广泛的研究，如日本、美国和欧洲一些发达国家， 如表1-1所示。

表1-1 早期各国对永磁同步电机的研究

在我国电动车行业未取得发展的时期，日本在电动车行业犹如霸主一般，无论是电动车的技术研究，还是产能和销量都处于世界一流，这得力于日本对新型能源交通工具行业的重视。

表1-2 日本电动汽车研究近况

提起美国的电动车发展，詹姆斯·戈迪和凯文·勒罗两个人格为重要。两人隶属于美国赛康公司，在技术研究迟于日本的情况下，改良了永磁同步电机，使其拥有更高的效率，调速范围也得到了良好的扩充。近年来，美国电动车行业发展迅速，尤其是随着油价的攀升，纯电动汽车低廉的优势变得更加突出。

欧洲的一些发达国家如法国、德国等，在永磁同步电机的研究上也处于世界第一序列。法国1997年研制的新型永磁同步电机，功率最大达到30KW，仅次于德国的32 kW，输出转矩最大达到145N·M，效率也大于87%，而且维修方便，在当时的年代属于非常优质的电机。

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