基于SiC逆变器的电动汽车永磁同步电机控制系统研究

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近年来,随着人们对环境问题的日益重视,电动汽车将逐渐取代燃油机汽车,成为人们最普遍的交通出行工具。电机驱动器作为电动汽车三大核心之一,其逐渐向着高能效、高功率密度、高可靠性的方向发展,逆变器中传统的硅基(Si)功率器件由于其本身材料特性的限制,已经越来越难以满足新型电动汽车电机驱动器的需求。碳化硅(SiC)功率器件因为其耐高压、耐高温、低损耗的特性可以有效替代硅基功率器件,将其应用于电动汽车的电机驱动器中能够明显提高控制器的功率密度,降低控制器的体积,达到小型化、轻量化的要求。然而SiCMOSFET应用在电机控制系统会出现难以避免的桥臂串扰、共模干扰等问题,影响控制系统的可靠工作。因此分析和研究SiC器件在永磁同步电机控制系统应用中的关键问题对电机驱动器的发展尤为重要。
  本文首先对SiCMOSFET的桥臂串扰问题进行了研究。对所用SiCMOSFET功率器件进行了静态、动态工作特性的研究与分析,对SiC器件出现的桥臂串扰现象进行了理论分析,推导了串扰电压的极值公式,并分析了几种常见的串扰抑制电路,提出了一种新型串扰抑制电路,通过建立仿真模型验证了新型抑制电路的有效性。
  本文对永磁同步电机(PMSM)的控制系统进行了研究。在理论上分析了永磁同步电机的结构,分析了其数学模型。根据永磁同步电机的数学模型,对几种不同的控制策略进行了研究,根据理论推导在Matlab/Simulink上搭建了算法仿真模型,并仿真验证了控制算法的可行性。
  本文针对高频条件下SiC逆变器电磁干扰及母线电压利用率低的问题,对逆变器的矢量调制策略进行了改进研究。分析了导致逆变器共模干扰的共模电压产生的原因,并在抑制共模电压的矢量调制策略基础上加入了一种电压重构型过调制策略,提高了调制范围。此外,分析了抑制共模电压策略在低速区域因死区所导致的负面效应,并对其进行了死区补偿。在仿真平台上搭建了仿真模型,验证了改进型逆变器调制策略的优越性。
  本文在上述理论研究的基础上,对基于SiC逆变器的永磁同步电机控制系统进行了硬件及软件的设计。硬件电路主要包括主控系统电路、SiC功率器件的驱动电路、逆变器主电路及采样调理电路。在硬件电路设计的基础上进行软件控制程序的设计,主要介绍了主程序流程、主中断控制及逆变器矢量调制策略流程。最后搭建了实验平台,进行了电路的调试,对以上理论研究进行了实验验证,结果证明了新型驱动电路及改进型逆变器调制策略的可行性。
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