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基于FPGA的五相PMSM驱动控制系统的研究

作　者: 刘春龙
导　师: 杨贵杰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: FPGA 五相PMSM SVPWM SPWM
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 197次
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内容摘要


本课题以多相永磁同步电动机(PMSM)系统的研制为工程背景,研究了基于FPGA的五相PMSM的驱动控制方法。尽管目前生产的规模化、标准化确保了三相电机的经济性,使得它在未来相当长一段时间内仍将被继续使用,但是其在电机驱动系统中的统治地位已经受到了挑战。在低压、大功率、高可靠性等应用场合,如核电站循环水电动机、电动/燃料混合动力车辆、航空航天、电动机车的牵引系统以及海军舰船电力推进系统等,多相电机系统体现出了远优于三相系统的更好的性能。因此对于多相电机系统的研究受到愈加广泛的关注,逐渐成为近年来研究的热点。论文首先对多相绕组的时空谐波磁势进行了分析,指出绕组内产生旋转磁势的时空条件;在此基础上对正弦绕组和含三次谐波绕组的五相永磁同步电动机进行建模,推导了派克变换矩阵,建立了在旋转坐标系下的派克方程,为多相电机的控制方法研究提供了理论基础。其次,通过对五相电机谐波磁势与数学模型的分析,对两种不同结构的五相永磁同步电动机提出了两种不同的矢量控制方法,对正弦绕组五相永磁同步电动机系统提出了一种改进的控制方法,对含三次谐波绕组五相永磁同步电动机系统提出采用注入三次谐波电流方法提高电机转矩输出能力的控制方式,并给出了三次谐波注入的幅值和相位条件。仿真对比分析了两种控制方法在电机转矩输出方面的差别。再次,对两种不同结构五相永磁同步电动机的矢量控制系统中脉宽调制技术进行了研究。提出对于正弦绕组五相永磁同步电动机矢量控制系统可采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)方式,并对传统的SVPWM方式进行了分析,指出其在电压利用率及电压谐波含量上的不足,进而提出一种优化的SVPWM算法;对于含三次谐波绕组五相永磁同步电动机矢量控制系统,首先就SVPWM方式在此种控制方式下的适用性进行了分析,指出SVPWM方式无法满足系统需要,进而提出采用SPWM方式作为脉宽调制方案。最后,设计了含三次谐波绕组五相永磁同步电动机,搭建了五相永磁同步电动机驱动控制系统硬件平台,编写了基于FPGA的系统软件代码,对论文提出的矢量控制方法进行了实验验证,实验结果表明对于含三次谐波绕组五相永磁同步电动机,三次谐波电流以及转子三次谐波磁密的注入,使得电机的转矩密度得到大幅提高,系统在低压条件下可实现大功率输出。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-21
  1.1 课题背景及研究意义  9-10
  1.2 多相电机及其控制系统发展现状  10-18
    1.2.1 多相电机相数的定义  10-11
    1.2.2 多相永磁同步电机  11-12
    1.2.3 五相永磁同步电机控制策略  12-18
    1.2.4 多相电机容错运行  18
  1.3 EDA 技术发展现状  18-19
  1.4 课题的主要内容和安排  19-21
第2章 多相绕组谐波磁势分析及五相PMSM 建模  21-35
  2.1 引言  21
  2.2 多相电机绕组磁势谐波分析  21-24
    2.2.1 单相绕组的磁动势  21-22
    2.2.2 多相绕组的合成磁动势  22-24
  2.3 五相PMSM 建模  24-34
    2.3.1 自然坐标系下数学模型  24-28
    2.3.2 两种绕组结构电机推广派克变换矩阵的选取  28-31
    2.3.3 正弦绕组五相永磁同步电动机模型  31-33
    2.3.4 含三次谐波绕组五相永磁同步电动机模型  33-34
  2.4 本章小结  34-35
第3章 五相PMSM 矢量控制方法研究  35-47
  3.1 引言  35
  3.2 矢量控制原理与五相系统坐标变换  35-36
  3.3 正弦绕组五相永磁同步电动机矢量控制方法  36-38
    3.3.1 传统矢量控制方法  36
    3.3.2 矢量控制方法改进  36-38
  3.4 含三次谐波绕组五相永磁同步电动机矢量控制方法  38-42
    3.4.1 谐波电流矢量控制  38-39
    3.4.2 注入谐波幅值的选取  39-40
    3.4.3 注入谐波的相位要求  40-42
  3.5 两种绕组形式电机矢量控制方法比较  42-46
  3.6 本章小结  46-47
第4章 五相脉宽调制技术的研究  47-61
  4.1 引言  47
  4.2 正弦绕组五相永磁同步电动机脉宽调制技术  47-57
    4.2.1 五相逆变器模型及其空间电压矢量  47-49
    4.2.2 传统五相SVPWM 算法  49-50
    4.2.3 五相SVPWM 优化算法  50-54
    4.2.4 仿真对比分析  54-57
  4.3 含三次谐波绕组五相永磁同步电动机脉宽调制技术  57-60
  4.4 本章小结  60-61
第5章 系统设计与实现  61-76
  5.1 引言  61
  5.2 五相永磁同步电动机设计  61-64
    5.2.1 定子绕组设计  61-63
    5.2.2 转子结构设计  63-64
  5.3 驱动与控制电路设计  64-65
  5.4 系统软件设计  65-70
    5.4.1 SPWM 模块设计  66-67
    5.4.2 坐标变换模块设计  67-68
    5.4.3 PI 调节器设计  68-69
    5.4.4 测速模块设计  69
    5.4.5 滤波器设计  69-70
  5.5 实验结果  70-75
    5.5.1 空载反电势测量  70-71
    5.5.2 采用正弦电流驱动  71-73
    5.5.3 注入三次谐波电流驱动  73-75
    5.5.4 堵转转矩测算  75
  5.6 本章小结  75-76
结论  76-77
参考文献  77-80
附录  80-81
攻读学位期间发表的学术论文  81-83
致谢  83

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 交流电机 > 同步电机
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