摘 要

永磁同步电机是一种以永磁体作为转子的同步电机，因为其具有高效率，高功率因数，小体积，轻重量，小噪声，简单结构等优异的特性，在倡导可持续发展的现代社会，永磁同步电机越来越受到重视，同时最近几年因为石油资源的枯竭，世界各国都在寻找传统石油动力汽车的替代方案，也就是新能源汽车，其中不管是混合燃料汽车还是纯电动汽车，汽车的动力系统都替换成了以各种电机为核心的控制系统，其中，永磁同步电机是新能源汽车用电机的重要类型之一。永磁同步电机越来越多的应用在汽车、风机、压缩机、水泵、机床等场合。永磁同步电机的控制方法中应用最为广泛也是最为成熟的就是矢量控制。因此，本文的基于DSP的电机控制系统设计具有理论和实际意义。

本文首先介绍了永磁同步电机与其控制技术的发展历史，主要从上个世纪到现在各项相关技术的发展情况，以及当前主要的研究内容和厄待解决的难题是哪些，介绍了目前工业上面主要应用成熟的技术。

然后本文开始介绍了永磁同步电机矢量控制的理论部分，首先是永磁同步电机的相关参数在三种坐标系下的形式和相关的变换方法，然后是对于给永磁同步电机供电的三相逆变器所需要用到的SVPWM技术相关的推导，最后是矢量控制本身的相关内容。

阐述完理论推导之后，对永磁同步电机的矢量控制进行了建模仿真与结果分析。在

Simulink中建立了永磁同步电机的时域仿真模型，通过对电机在负载扰动情况下的仿真研究，分析了永磁同步电机矢量控制模型的动态性能。验证了矢量控制策略的正确性。

最后，基于半实物仿真，对永磁同步电机矢量控制进行了以DSP芯片为核心的软件与硬件设计。

关键词： 永磁同步电机 矢量控制Simulink仿真 半实物仿真

Abstract

PMSM is a kind of synchronous motor with permanent magnet as the rotor, because it has high efficiency, high power factor, small size, light weight, small noise, simple structure and other excellent characteristics, in the promotion of sustainable development of modern society PMSMs have received more and more attention, and in recent years, due to the depletion of petroleum resources, countries around the world are looking for alternatives to traditional petroleum-powered vehicles, that is, new energy vehicles, whether hybrid or pure electric vehicles. The automotive powertrains have all been replaced with control systems based on various types of motors. Among them, PMSMs are one of the important types of motors used in new energy vehicles. More and more PMSMs are used in automobiles, fans, compressors, water pumps, machine tools and other occasions. The most widely used and most mature control method of PMSMs is vector control. Therefore, the design of the motor control system based on DSP has theoretical and practical significance.Keywords：PMSM, vector control, hardware-in-the-loop simulation, Simulink

This article first introduced the development history of PMSM and its control technology, mainly from the last century to the current development of related technologies, as well as the current main research content and problems that need to be addressed, and introduced the current industry Mainly applied mature technology.

Then the paper begins to introduce the theoretical part of the vector control of the PMSM, the first is the form of the relevant parameters of the PMSM in the three coordinate systems and the related transformation method, and then the three-phase power supply to the PMSM. The derivation of the SVPWM technology that the inverter needs to use is finally related to the vector control itself.

After describing the theoretical derivation, the modeling and simulation of the vector control of the PMSM and the result analysis are carried out.

The time domain simulation model of PMSM is established in Simulink. Through the simulation study of the motor under load disturbance, the dynamic performance of the vector control model of PMSM is analyzed. The correctness of the vector control strategy was verified.

Finally, based on the hardware-in-the-loop simulation, the software and hardware design based on the DSP chip is implemented for the PMSM vector control.

Keywords: Permanent magnet synchronous motor Vector control Simulink simulation Hardware-in-the-loop simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1PMSM控制方法发展历史 1

1.2PMSM控制方法研究现状与发展前景 1

1.3本文研究内容 2

第2章 PMSM矢量控制原理 3

2.1相关坐标系之间的变换 3

2.1.1三相abc静止坐标系和αβ两相静止坐标系之间的变换 3

2.1.2 dq两相旋转坐标系和αβ两相静止坐标系之间的变换 3

2.1.3 dq两相旋转坐标系和三相abc静止坐标系之间的变换 4

2.2 SVPWM技术 4

2.2.1 SVPWM产生背景 4

2.2.2 SVPWM基本原理 5

2.2.3 SVPWM相关算法推导 9

2.3矢量控制原理 20

第3章PMSM矢量控制SIMULINK模型的建立 22

3.1 SVPWM模块的搭建 22

3.2 相关坐标变换模块的搭建 22

3.3系统总体框图 23

3.4仿真结果 24

第4章 半实物仿真的软硬件设计 26

4.1硬件设计 26

4.1.1 半实物仿真平台部分 26

4.1.2 DSP控制器硬件设计 27

4.2软件设计 29

第5章 总结 31

致谢 32

参考文献 33

附录A 最小系统电路图 35

第1章 绪论

1.1PMSM控制方法发展历史

Technische Universität Darmstad的K.Hasse和Siemens公司的F.Blaschke在1968年和70年代初分别提出了交流电机的矢量控制。K.Hasse提出了间接矢量控制方法，Blaschke提出了直接矢量控制方法^[1][2]。不伦瑞克工业大学的Werner Leonhard进一步发展了FOC技术，并有助于为交流变频器提供更具竞争力的替代直流变频器的机会^[3][4]。

然而，直到20世纪80年代初微处理器商业化之后，通用交流驱动器才开始出现^[5]。与直流驱动相比，使用矢量控制用于交流驱动应用的障碍包括更高的成本和复杂性以及更低的可维护性，直到那时矢量控制需要许多传感器，放大器等电子元件。

其中，重要的理论部分之一Park变换早已广泛用于同步和感应电机的分析和研究。这个转变是迄今为止理解矢量控制如何工作所需要的最重要的概念，这个概念在1929年由Robert H.Park撰写的论文中首次被概念化了^[6]。在二十世纪出版的所有电力工程相关论文的影响方面，Park的论文排在第二位。Park的工作的新颖之处在于他能够将具有时变系数的任何相关机器的线性微分方程组转换为具有时不变系数的另一个系统^[7]。

同时在1985年左右，直接转矩技术被提出。德国鲁尔大学Depenbrock教授和日本I.Takahashi教授在1986年前后分别提出了直接转矩技术，当时的直接转矩控制技术是为异步电动机提出的，而对于其他类型的电机不能试用，永磁同步电机直接转矩控制技术的随后在接下来的十年后都进展缓慢，直到1996年澳大利亚新南威尔士大学和中国南京航空航天大学合作在正弦波永磁同步电机中使用负载角这个物理量代替了异步电动机中的转差，在永磁同步电机上的应用才有了一些进步，但是目前永磁同步电机的直接转矩控制技术仍然处于初级阶段，依然后很多方面不完善。

1.2PMSM控制方法研究现状与发展前景

PMSM控制方法研究主要集中在观测器性能的提升，相关算法计算效率的提升，以及控制方案的改进和对于系统故障的检测和容错率调高上面。

如文献[8]提出了一种用于永磁同步电机伺服系统的自适应卡尔曼观测器（SAKO）。所提出的SAKO可以弥补分辨率有限的绝对值编码器的测量噪声，避免传统测速方法的差分处理和滤波延迟。文献[9]提出了一种新型的MTPA角度计算方法，与现有方法相比，所提出的方法独立于机器并且驱动非线性。此外，MTPA角度直接从导出的MTPA方程计算，所以所提出的方法快速且计算效率高。因此，所提出的方法适用于在线应用以及为IPMSM建立MTPA角度的离线查找表。文献[10]提出了基于微永磁同步电机（micro-PMSM）的五指控制系统的模型预测控制（MPC）算法的设计和实现。设计MPC算法来改善微型PMSM控制系统的性能。提供了令人满意的瞬态响应，负载扰动响应和跟踪响应。文献[11]研究了无传感器永磁同步电机控制系统中滑模控制和神经网络补偿的设计，能够提高功耗和速度响应性能。PMSM的位置传感器在恶劣的环境中不可靠。因此，无传感器控制技术在工业上被广泛提出。滑模观测器可以估计转子角度。然而，滑模观测器不利于静止和低速条件，因为反电动势的幅度几乎为零。因此，本文结合迭代滑动模式观测器（ISMO）和神经网络（NNs）作为角度补偿器来改善上述问题。文献[12]提出了了基于三电平拓扑的永磁同步电机驱动系统算法中的中性点平衡控制方案和重复控制方案。研究结果表明，重复 PI控制方案比PMSM的经典PI控制方案提供更好的瞬态和稳态性能。文献[13]研究了开放式五相驱动器的容错操作，即采用双逆变器电源供电的多相机器。通过一个简单的解决方案考虑和处理逆变器开关短路故障。文献[14]提出了一种基于电流残差矢量（CRV）的闭环控制永磁同步电动机驱动系统中变频器的开路（OC）故障诊断方法。该方法可以消除负载和主控制器的影响，获得可靠的检测结果。文献[15]针对传感器偏置和噪声等各种原因引起的逆变器故障诊断中的不确定性问题，提出了一种基于贝叶斯网络的三相逆变器数据驱动故障诊断方法。测量不同故障模式下的两个输出线间电压，使用快速傅里叶变换提取信号特征，使用主成分分析减少样本的维数，并使用贝叶斯网络检测和诊断故障。模拟和实验数据用于训练故障诊断模型，并验证所提出的故障诊断方法。

1.3本文研究内容

传统矢量控制方法非常成熟，实现较为简单，工业上应用也最多，相关技术资料丰富，适合本科生学习，因为本人选了使用传统矢量控制作为毕业设计的主要内容，具体的目标就是研究永磁同步电机的矢量控制策略及其DSP实现，包括如下内容：

1)永磁同步电机数学模型的推导。

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