基于ARCP软开关的永磁同步电机驱动系统设计

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永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor)具有优异的调速性能、较高的功率密度和工作效率等优点,被广泛应用于各种工业制造生产场景之中。永磁同步电机的控制效果受到驱动器延迟环节、输出PWM频率等因素的制约。通常,更高的PWM频率意味着更好的电流环响应速度,然而PWM频率的提高导致器件所需开通关断时间更短,不可避免地增加了EMI和器件功耗。软开关技术的出现能够在提升PWM频率的同时,大幅度降低EMI干扰以及器件功耗,对驱动器性能的提高具有重大意义。本文在了解本领域研究现状和最新发展方向的基础上,通过对永磁同步电机的基本建模与控制方式的分析,选取了三相辅助谐振极(Auxiliary Resonant Commutated Pole)拓扑作为矢量控制的PWM实现方式,以达到频率提升的同时减少EMI以及器件功耗的目的。该拓扑能够适配目前主流的七段式SVPWM调制方法。本文在分析ARCP理想拓扑软开关时序的基础上,同时考虑实际系统中存在的部分寄生参数,分析其在不同负载下,对软开关换流过程影响。选取带有钳位二极管的ARCP拓扑,抑制寄生参数导致的振荡。在ARCP可变时序控制方法的基础上,设计了一种过充电电流数值的工程选取方法。该方法通过计算机辅助循环搜索的方式,确定了在不同工况下所需的过充电电流,为实际工程中,整定过充电参数提供参考值。在三相ARCP可变时序控制的基础上,设计了一种无需额外中点稳压电路的母线中点电压控制方法,通过对三相谐振电感的不对称充电,调节和稳定中点电压。本文通过搭建多软件联合仿真平台,将多种不同的编程语言以及算法,在以SIMULINK为载体平台进行联合仿真,达到了最贴近实际的仿真效果。通过搭建三相ARCP永磁同步电机驱动器的实验样机、设计基于FPGA的具有中点电压稳定功能的ARCP控制器,验证了控制方法及理论分析的合理性。
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