Question

[永磁同步电机直接转矩控制的仿真研究] 永磁同步电机

Answer 1

　　[摘 要]本文通过对永磁同步电机及其控制方法的研究设计出一利用数字信号处理器(DSP)为内核的电动汽车永磁同步电机控制器,并运用MATLAB/Simulink对搭建的永磁同步电机直接转矩控制系统进行仿真实验。实验结果表明该系统灵活性高,稳定性好,运行性能良好。
　　[关键词]电动汽车 永磁同步电机 直接转矩控制 DSP
　　[中图分类号]TM341[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)02-0123-02
　　
　　1 引言
　　电动汽车电机驱动系统应具有尽可能高的转矩密度、良好的转矩控制能力、高可靠性及在宽车速范围内的高效率。[1-2]永磁同步电机(PMSM)以其体积小、质量轻、效率高、调速范围广等优点尤其适台于电动汽车等转动系统。直接转矩控制方法具有原理简单,DSP软件算法简单,速度动态响应快,需要的传感器较少等优点。因此在电动汽车驱动控制系统中有着非常实用的价值。
　　2 永磁同步电机直接转矩控制原理
　　2.1 理论基础
　　PMSM DTC的理论基础是满足电机转矩和转矩角变化方向一致的条件下,保持电机磁链幅值不变,控制定转子磁链之间夹角即可控制电机转矩,通过快速改变转矩角以获得快速的转矩响应。
　　2.2 磁链的分区及开关电压矢量表的确定
　　永磁同步电机在静止坐标系的磁链模型:
　　[3]
　　在空间矢量作用的时间间隔△t内,其综合矢量可描述为:
　　当输入电压为一非零矢量时且忽略定子电阻压降的影响,定子磁链将沿输入空间电压矢量的方向,以正比与输入电压的速度移动,为了保持磁链幅值恒定,可根据磁链偏差的大小及磁链的具体方向适当选取空间电压矢量达到控制磁链的目的。逆变器的六个运动矢量相差60度,通常将空间划分为六个区域,用表示(i=1～6)。不同区域采用不同的电压矢量来增大或减小磁链。转矩的增大或减少依靠的是对负载角δ角的控制,相应的也是采用不同的电压矢量来增大或减小δ角。基于以上分析,可以得出开关电压矢量表1。
　　2.3 永磁同步电机直接转矩控制系统的控制过程
　　对于逆变器输出的三相电流,,通过3/2变换得到,,由逆变器的开关状态以及直流电压之间的关系,可以得到,。由定子磁链模型得到磁链在αβ坐标系上的分量,,再由,计算出负载角度进而判断出磁链所在扇区。由,可以计算出磁链幅值。再通过磁链转矩误差信号结合磁链所在扇区以及开关电压矢量表,合理选择开关矢量以确定逆变器的开关状态。
　　3 控制系统设计
　　Freescale公司的DSP56F807 很适合于电机控制, 结合了DSP的数据运算快和单片机控制能力强的特点,所以我们以电压空间矢量PWM控制为核心,利用其对控制系统进行了总体设计。这里对给定信号输入模块进行说明:
　　3.1 档位输入
　　行车操作需要的六个档位采用开关控制DSP的I/O口来模拟,六个I/O口通过或门连接到DSP的外部中断引脚,当档位变换时触发中断,在中断程序中通过查询I/O口的状态,确定输入的档位,从而进行相应的操作。
　　3.2 油门输入
　　行车中驾驶员通过油门变化来控制发动机输出转矩的改变,从而实现车辆的启动,加速等动作。这里采用旋转电位器分压模拟给定转矩输入。
　　另外PWM中断响应模块包括A/D转换,定子磁链计算,转速估计以及转矩计算及PWM实现等子程序。在中断模块中最为关键的是PWM的实现。[4]
　　4 实验仿真与结果分析(图1)
　　用MATLAB/Simulink对搭建的永磁同步电机直接转矩控制系统进行仿真实验,仿真所用电动机参数为:额定功率=800W,=0.06533Wb,=3000r/min,Rs=0.4,额定相电流=4.6A,磁极对数P=4,转动惯量J=0.00013。仿真参数:死区时间Td=5,采样时间100。电流输出波形f=33Hz。速度响应曲线如图2。
　　由实验仿真结果可以看出该控制方法具有原理简单,速度动态响应快,需要的传感器较少的优点。良好的动态性能对于提高电动汽车的动力性是十分必要的,总体来说,基于DSP56F807的永磁同步电机直接转矩控制系统基本满足了电动汽车的驱动要求。
　　
　　[参考文献]
　　[1] Kashima S.The present condition and the future of EV sharing in Japan. IEEE Vehicle Electronics Conference,2001,9-149.
　　[2] Chan C C.The state of the art of electric and hybrid vehicles.Proceedings of IEEE.2002,90(2):247-275.
　　[3] 李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工业出版社,1994.
　　[4] 阮虎.基于DSP的永磁同步电机控制系统研究.硕士学位论文.武汉理工大学,2007.5.
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Answer 2

永磁同步电机（PMSM）直接转矩控制（DTC）是一种先进的电机控制策略，具有快速动态响应和鲁棒性强的优点。
在仿真研究中，我们通常使用MATLAB/Simulink作为主要工具进行建模和仿真。
首先，我们需要建立PMSM的数学模型，包括电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程等。
然后，根据DTC的控制原理，我们需要设计控制器，包括转矩控制器和磁链控制器。
在控制器中，我们需要根据电机当前的转矩和磁链误差，选择合适的电压空间矢量来控制电机的转矩和磁链。
接下来，我们需要在Simulink中搭建PMSM的DTC控制系统模型，并进行仿真实验。
在仿真实验中，我们可以改变电机的参数、负载转矩、转速等条件，来观察DTC控制系统的动态响应性能和鲁棒性。
同时，我们也可以通过对比实验来验证DTC控制系统的优势和特点。
最后，根据仿真实验的结果和分析，我们可以得出结论，总结DTC控制系统的优点和存在的问题，并提出改进方案。

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