横向磁场永磁推进电动机控制系统的研究

论文摘要

随着舰船综合电力推进技术的发展,对推进电机的设计和控制也不断提出更高的要求。由于舰船内空间的限制,高功率密度和高转矩密度电机成为舰船推进电机研究的热点。横向磁场永磁电机是一种新型拓扑结构的电机,从结构上解决了传统径向磁场电机绕组结构和磁路结构相互制约影响转矩密度提高的问题,可以实现高功率密度及高转矩密度,在电力推进领域具有广阔的发展前景,近年来得到越来越多的关注。论文在分析横向磁场永磁电机特点的基础上给出了横向磁场永磁电机的等效数学模型,提出了横向磁场永磁电机直接转矩控制的控制方案,建立了系统直接转矩控制的控制框图。控制系统采用磁链及转矩滞环比较方法得到控制量,并通过查控制电压开关表选择最优电压空间矢量的方法实现对电机的直接转矩控制。在以上工作的基础上,论文建立了基于Matlab/Simulink的横向磁场永磁推进电机及其控制系统的仿真模型并进行了仿真,仿真的结果验证了控制系统的可行性。在理论研究的基础上,设计研制了一套横向磁场永磁电机直接转矩控制系统并且编制了相应的控制程序软件。硬件系统以智能功率模块（IPM）和数字信号处理器（DSP）为核心,使用交-直-交变频方式驱动电机,电机的电流、直流母线电压、及转速信号分别由霍尔电流传感器、霍尔电压传感器及光电编码器测量。在硬件设计的基础上借助DSP开发软件实现了闭环系统的数字PI调节及转矩、磁链滞环比较,生成IPM的驱动信号驱动功率器件使电机运转。实验中对横向磁场永磁电机直接转矩控制系统的不同运行状态进行了测试,取得了比较理想的效果。仿真及实验的结果表明,使用直接转矩控制方法控制横向磁场永磁电机具有暂态响应速度快,易于实现及稳定性好等特点,直接转矩控制应用于横向磁场永磁同步电机是一种有效的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 舰船电力推进概述
• 1.2.1 舰船电力推进的发展历史
• 1.2.2 舰船电力推进的优点
• 1.3 几种推进电机简介
• 1.3.1 盘式永磁电动机
• 1.3.2 高温超导电机
• 1.3.3 横向磁场永磁电机
• 1.4 舰船推进电机的控制策略
• 1.4.1 矢量控制
• 1.4.2 直接转矩控制
• 1.4.3 自适应控制
• 1.4.4 滑模变结构控制
• 1.4.5 人工智能控制
• 1.5 论文的主要内容
• 第2章 横向磁场永磁电机数学模型及其直接转矩控制策略
• 2.1 横向磁场永磁电机及其转子结构简介
• 2.1.1 横向磁场永磁电机简介
• 2.1.2 横向磁场永磁电机特点
• 2.1.3 横向磁场永磁电机转子结构
• 2.2 横向磁场永磁电机的数学模型
• 2.2.1 横向磁场永磁电机的一相等效电路
• 2.2.2 横向磁场永磁电机的电机方程
• 2.3 横向磁场永磁电机的直接转矩控制
• 2.3.1 横向磁场永磁电机直接转矩控制系统原理
• 2.3.2 空间电压矢量的形成
• 2.3.3 横向磁场永磁电机定子磁链及转矩的估算
• 2.4 本章小结
• 第3章 控制系统硬件电路设计
• 3.1 数字信号处理器的简介
• 3.2 数字信号处理器外围电路
• 3.2.1 电流信号的检测与A/D 转换
• 3.2.2 直流母线电压检测
• 3.2.3 转子位置及转速的检测
• 3.3 主回路及其保护电路
• 3.3.1 主回路
• 3.3.2 过流保护
• 3.3.3 直流母线过电压保护电路
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统软件设计
• 4.1 横向磁场永磁电机控制系统程序设计
• 4.1.1 初始化程序
• 4.1.2 主程序
• 4.1.3 外部中断保护子程序
• 4.1.4 定时中断子程序
• 4.2 数字PI 控制器
• 4.3 直接转矩控制系统的数字化实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 仿真与实验结果
• 5.1 系统仿真
• 5.1.1 系统建模
• 5.1.2 仿真结果及分析
• 5.2 系统实验
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果