（电力电子与电力传动专业论文）车用电机驱动系统.pdf

币_ f j 电机驱动系统 v e h i c l em o t o rd r i v es y s t e m a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h e ( p m s m ) d r i v es y s t e mi n e l e c t r i cv e h i c l e b e l o w ： s t u d yo i lp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( e v ) a p p l i c a t i o n , w h i c hi n c l u d et h r e ea s p e c t sa s i a c c o r d i n gt h el o a d i n go fe vr u n n i n gc o n d i t i o n s ，t h e 妇2 0s t r a t e g yh a s b e e nu s e di n c u r r e n tc o n t r 0 1 b e i n ga i m e da ti m p r o v i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so fe vd r i v e ri nt h e c o m p l e xr u n n i n gc o n d i t i o n so fe vm o t o r an e wv e l o c i t yc o n t r o l l e rh a sb e e na d o p t e d ，w i t c h u s e st h ec a p a b i l i t yo ff u z z yl o g i ci nh a n d l i n gu n c e r t a i ni n f o r m a t i o na n dh o l dt h ep is p e e d c o n t r o l l e r , u p d a t i n gt h eo u t p u to f t b es p e e dc o n t r o l l e rr e a lt i m e 2 ad s p - b a s e df u l l d i g i t a lv e c t o rc o n t r o li n v e r t e rf o rp m s mu s e di ne vh a s b e e n d e v e l o p e d ，w h i c hc o n t a i n st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ( 1 ) h a r d w a r es y s t e mw h i c hr a t e dc a p a c i t yi s7 5 k wh a sb e e nd e v e l o p e d ：1 ) t h ed e s i g no f h i g h - p o w e rm a i nc i r c u i t2 1t h ed e s i g no f c o n t r o lc i r c u i tb a s e d o nd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( 2 ) t l l er e a l i z a t i o no fa r i t h m e t i co fv e c t o rc o n t r o lf o rp m s mb a s e do nf u z z yc o n t r o l l e r , w h i c hi n c l u d i n g ： 1 ) i no r d e rt or e s t r a i nt h ei n f l u e n c eo ft h eb a c ke m fi nc u r r e n tc o n t r o ll o o p ，a n da v o i d t h ep r o b l e mt h a tt h ed y n a m i cr e s p o n s eo v e r s h o o tc a u s e db yi n c r e a s i n gt h ep a r a m e t e ro fp i c o n t r o l l e r ，as e p a r a t e di n t e g r a lp ic o n t r o l l e rh a sb e e na d o p t e d 2 ) r e a i i z i n gt h ef u z z yv e l o c i t yc o n t r o l l e rd e s i g n e di nt h ep a p e r 3 ) v o l t a g eu s i n ge f f i c i e n c yo fa c c u m u l a t o ri ne vh a sb e e ni m p r o v e db yt h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no f s o f t w a r es v p w m , a n dt h eh a r m o n i co f m o d u l a t ev o l t a g eh a sb e e nd e c r e a s e d 3 t h ee x p e r i m e n th a sb e e nd o n ef o rt h ed r i v e rw h i c hd e s i g ni nt h i sp a p e r r e s u ro f e x p e r i m e n tg i v et h ep r o o f o f t h ep e r f o r m a n c eo f t h ed r i v e rr e a c h e st h er e q u e s to f d e s i g n k e yw o r d s ：e v , v e c t o rc o n t r o lp m s m ，d r i v e rs y s t e m ，f u z z yl o g i c a l 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：塑堑i日期：竺2 ：2 ：! f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈何1l ：业大学硕+ 学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及选题意义 电动汽车是以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，且满足道路安全法规对汽 车的各项要求的车辆，电动汽车的发展是石油危机及人们对环境要求的必然产物。与内 燃机汽车相比，电动汽车具有高效、方便、无污染、低噪声等优点嘲。 目前世界上所存在的电动汽车，若按动力来源说，大体可以分为三种类型：电池电 动车( b e v ) ；混合型电动车( h e v ) ；燃料电池电动车( f c e v ) 。b e v 行驶里程受到电 池的限制，而且价格高，美、法、日等国的一些公司都在大力开发采用燃油内燃机和电 池电机共同驱动的混合型电动车( h e v ) 。混合动力电动汽车是将新技术和老技术结合的 最可行的产物，它同时具有纯电动汽车和传统内燃机汽车的优点，既具有纯电动汽车的 高效率和低排放的性能，还具有传统内燃机汽车的行驶里程长和快速补充燃料的性能。 混合电动汽车成为当前解决节能、环保问题切实可行的方案。最初混合动力电动车的提 出是为了弥补电动车续驶里程不足且又能减少内燃机汽车排放污染的一个折衷方案，因 此被认为是在高性能和价格合理的蓄电池推出之前的过渡品。但随着对混合动力电动汽 车研究的深入，人们发现它也许是一个合理利用能源，保证燃油机、电动机均工作在最 佳状态，从而达到最佳性能的车辆。从此意义来讲，国内外专家基本上达成共识：混合 动力电动汽车的使用不只是电动汽车的一个过渡阶段，而是汽车工业即将面临的一场新 的革命。但从世界范围来看，混合动力汽车产业目i i 还处于起步阶段，与传统的燃料汽 车技术相比，我国在混合电动汽车的技术领域差距相对较小，这为我们赶超国际先进水 平提供了一个平台和良机，为我国民族汽车工业坚持自主创新，打造民族品牌，提供了 一个契机n ，。 到“十五”末期我国在电动汽车的三大领域( 电池、电机、电控系统) 等方面取得 了一定突破；已经具备了自主开发电机产品的基本能力，开发出包括交流感应、开关磁 阻、直流无刷、永磁磁阻同步等各种类型电机，虽然在电机系统研究上取得了相应的进 展，在整车控制器方面也积累了一定的经验，但控制系统的结构和功能还有待于进一步 的调整和完善。主要有：高性能动力电池系统的开发；高性能驱动系统( 包括多种电动 机系统及内燃机系统) 的研制；整车性能优化及集成管理单元的丌发等“。 午川电机驱动系统 电动汽车电驱动系统是尚需进一步研究的关键问题之一。电动汽车电驱动系统应具 有尽可能高的转矩密度、良好的转矩控制能力、高可靠性及在宽车速范围内的高效率。 电动汽车电驱动功能的实现涉及电机、电力电子、微处理器、蓄电池、控制理论等多学 科技术领域，是赶超世界汽车先进水平的核心技术。因此，对电动汽车电驱动系统的研 究丌发具有重要的社会意义和工程实际意义“1 。 目前，国内外电动汽车用电机系统涵盖了交流感应、永磁电机、开关磁阻等各种类 型。其中永磁电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声的特点，通过合理设计 磁路结构能够获得较高的弱磁性能，在电动汽车特别是高档电动汽车驱动方面具有很高 的应用价值，作为车用永磁电机驱动系统，可实现机电一体化和集成化，具有系统结构 简单、操作方便、可实现制动能量回收、系统响应时间短、转矩控制准确等优点，改善 了车辆的性能。因此，开发与混合动力汽车整机配套的永磁电机系统具有现实可行的意 义。 我国在稀土永磁材料领域具有得天独厚的资源优势，开发一系列机电一体化、集驱 动、制动、测速、转向为一体高度集成化的驱动模块、具有自主知识产权的高性能车用 永磁电机系统，可以加快电动汽车的产业化进程。 1 2 车用永磁电机系统研究现状 永磁电机由于具有高效、高控制精度、低振动噪声等良好性能，得到国内外电动汽 车界的广泛重视，并已在日本得到了普遍应用，r 本新研制的电动汽车大都采用永磁电 机驱动。如：n i s s a n 公司生产的a l t r ae v 永磁电机系统额定功率为6 2 k w ；丰田p r i u s 混联式混合动力电动汽车永磁电动机系统额定功率为3 3 k w ；h i s i na w 有限公司生产的 电动汽车用永磁同步电机为1 3 2 k w ，重3 6 k g ；p r a i r i ej o ye v 驱动电动机的最高转速 为1 6 0 0 0 r m i n ，由于电动机的高速化，也就实现了电动机的小型轻量化，功率重量比 达到了1 7 k w k g ，最大输出功率6 2 k w ，最大转矩为1 6 6 n m ；本田e vp l u s 研发的动 力驱动系统，采用变速器，使电机能够获得大转矩及正反运行等特性，变速器采用了无 离合器，固定为单速，无换向齿轮等简单的结构，电机为永磁伺服电机，转速在1 7 0 0 8 7 5 0 r m i n 范围内，电动机最大输出功率为4 9 k w ，转速在o 1 7 0 0 r m i n 范围内的最大 转矩为2 7 5 n m ；国立环境研究所研究丌发的l u c i o l e 驱动单元采用了轮内型结构，由 钕铁硼永磁电机、行星齿轮( 减速比5 ：1 ) 及制动器等部分构成，系统的最大输出功率 一，一 沈目1 l ：业大学硕十学位论文 为3 6 k w ，最高转速为8 7 0 0 r m i n ，整个驱动单元的质量约为2 5 k g ”1 。美国太阳电公司为 电动汽车专门设计的变频器主要技术指标如表1 1 所示嗍。 表1 1 太阳电变频控制器技术指标 t a b 1 1t h eg u i d e l i n eo f s u ne l e c t r i c i t yt r a n s d u c e r 参数名称参数数值 尺寸 重量 标准型 电流 峰值电流 持续山力 峰值出力 最小输出电压 最人输出电压 效率 4 5 0 m m x 2 2 0 m m 2 3 5 m m 1 4 9 k g ( 4 8 0 v a ca v a i l a b l e ) 1 2 5 a ，3p h a s e 2 5 0 a ，3p h a s e 3 8 k w ( 3 1 2 v d ci n p u t ) 7 5 k w ( 3 1 2 v d ci n p u t ) 1 0 0 v d c 4 0 0 v d c 9 6 9 8 国内天津大学电气工程与自动化学院研制的纯电动车用永磁伺服电动机系统，其峰 值功率为4 5 k w ，最大转矩为9 9 5 n m ，最高效率可达9 5 ，电机的功率重量比达到了 1 0 8 7 k w k g ，计算得到基本转速为4 3 1 9 r m i n ，目前电机及其控制系统已装车1 0 套， 累计行驶罩程超过6 力公里，单车无故障行驶里程达2 万公罩；上海安乃达驱动技术有 限公司开发出了燃料电池车用无刷直流电动机系统峰值功率为6 5 k w ，最大转矩为1 2 7 n n l ，最高效率可达9 3 ，电机的功率重量比达到了1 3 5 8 k w k g ，成功的将d c d c 、 电机逆变器和高压保护电路集成到一个p c u 模块中，改善了机械结构和制造工艺，提高 了可靠性；中科院电工所和上海御能动力科技有限公司刀：发出一套混合动力车用永磁伺 服电机系统，电机的峰值功率为2 8 k w ，最大转矩为1 2 7 n i l l ，最高效率可达9 3 ，电机 的功率重量比可达0 9 4 k w k g 。 经“九五”、“十五”的研究攻关，我国在自主开发设计电动汽车用电机系统方面 有了长足进步，已经具备了自主开发电机产品的基本能力，开发出包括交流感应电机、 开关磁阻电机、直流无刷电机、永磁磁阻同步电机等各种类型电机和系统。但目i ； 我国 电机系统的整体水平离整车产业化的要求差距甚远。现有的龟机系统产品还大致处于功 能样机阶段，在系统的优化设计、动态性能、稳定性、可靠性、耐久性、成本控制等诸 7 f _ l j 电机驱动系统 多方面尚有大量工作要做，国内尚没有真正意义上的电机系统总成供应商。 1 3 电动汽车电机驱动系统研究现状 电力电子技术是电动汽车用电动机控制技术发展的重要物质基础，发展非常迅速。 电力电子器件已经从第一代的s c r 、经第二代有自关断能力的g t r 、g t o 、m o s f e t 发展 到目前的第三代i g b t 、s i t 、m c t 等复合场控器件，并不断向集成化、智能化方向发展。 智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e i p m ) 是向第四代器件功率集成电路( p i c ) 发展的过渡产品，在i g b t 基础上，集成了控制、检测、保护和自诊断等功能，由于采 用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑“。电动汽车用电力电子器件的选择主要考 虑其电压、电流、_ 丌关频率、功率损耗和动态性能等。目前，i g b t 及i p m 由于其高输 入阻抗、高开关速度和低导通损耗等优点，而成为电动汽车用电力电子器件的首选。 在电动汽车驱动系统的控制器选择上，数字信号处理器( 如t m s 3 2 0 l f 2 4 x x ) 等占 了主导地位。与单片机相比，d s p 的突出特点就是处理速度更快“。如美国t i 公司 推出的t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 是适于工业控制，尤其适用于电动机控制的专用芯片，内部采用哈 佛总线结构，绝大部分指令可以在2 5 n s 单周期内执行完毕，同时具有丰富的片内资源 并提供电机控制专用资源。应用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 可以大大简化控制系统的硬件结构，其 高速性可以使复杂控制策略得以实现并降低成本。因此，t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 是目i j 数字系统 设计应用中最为理想的控制芯片之一“”。 矢量控制从理论上解决了交流电机转矩的高性能控制问题，该方法首先是应用于感 应电机，很快就被移植到永磁同步电动机上。实际上，永磁同步电动机更容易实现矢量 控制，因为在其控制过程中，没有像感应电机那样的转差频率电流，并且受电机参数( 转 予参数) 的影响也小。 矢量控制的目的是实现转矩的高性能控制，在操作过程中体现在对定子电流的控制 上。它是通过将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，从而实现定子电流的解耦，分别 加以控制n “。 在永磁同步电动机矢量控制中，定子电流的控制模式和转子的几何结构会影响系统 的控制性能。一般电机控制策略的选取是根据电机转矩和电流的线性度、电机端电压变 化的允许程度、功率因数、电根反应的去磁效应等因素来确定的。永磁同步电动机电流 矢量的控制方法主要有：毛= 0 控制、c o s = 1 、恒磁键控制、最大转矩电流控制、弱 4 一 沈日i i ：业人学硕十学位论文 磁控制和最大输出功率控制等“”。不同的电流控制方法有着不同的优缺点，其中，毛= 0 控制最为简单，应用较多，其突出优点是没有直轴电枢反应，缺点为电动机的最高转速 取决于逆变器可提供的最高电压，也取决于电动机的输出转矩。电动机达到的最高电压 越大、输出转矩越小，则最高转速越高。 目前，永磁同步电动机矢量控制的研究热点主要集中在对速度控制器、电流控制器 的改进上、电机参数的预测以及无传感器控制上“小魄1 。 传统的永磁同步电动机矢量控制系统速度控制器采用p i 控制器，为满足高性能控 制的需要，当电机参数发生变化或受到外部扰动的情况下，矢量控制系统也应该具有速 度快速跟踪能力。参数固定的比例积分控制器( p i ) 却不能满足这一要求。因为在运行 过程中电机参数改变或受到扰动时，预先设定的控制器参数便很难适应新的运行情况。 相关文献给出了一些自适应控制器的设计方法。例如：模型参考自适应控制器( m a r c ) 、 平滑模型控制器( s m c ) 等。这些控制器在一定程度上均能提高电机驱动系统的性能。 然而，它们通常是基于系统模型的参数和结构，在系统模型未知时，不可避免的要导致 复杂的计算。由于神经网络在对象模型未知时，具有出色的非线性映射能力，因此在系 统建模和控制系统中得到了广泛的应用。用基于神经网络的速度控制器代替传统的p i 控制器，通过在线调整网络权值和阈值可以适应电机运行情况的动态变化。为了得到调 整网络权值和闽值的误差量，通常要引入另外一种控制器( 比如m a r c ) 。把该控制器的 输出当作神经网络输出的期望值，并利用两者之自j 的差值作为调整网络权值的依据。这 不但又陷入了繁琐的计算，而且使控制系统变得复杂。 最初的电流控制器也采用p i 控制器，该方法的不足之处在于电流在反馈时需要滤 波，滤波器会使信号存在不同的相移，电流相位的准确与否会直接影响矢量控制的控制 性能。文献提出了电流滞环p w m 控制器方案。该方法的优点在于控制简单，在开关频率 很高的情况下，系统响应迅速，且不受负载和参数变化的影响。缺点是开关频率随反电 势的变化而变化，触发脉冲有时会出现很窄的情况，逆变器功率管上将产生很大的电压 尖峰。有的文献提出了电流预测控制思想，是在采样周期的丌始，根据电流的误差和负 载的情况选择一个使误差趋于0 的电压矢量，去控制逆变器功率管的丌关。 矢量控制在理论上r 趋完善j 但实现过程较为复杂，需要复杂的运算，影响了动态 响应性能。1 9 8 6 年闩本的高桥薰和德国的d e p e n b r o c k 分别提出异步电动机的直接转矩 下h j 电机驱动系统 控制方法1 。与矢量控制相比，直接转矩控制具有动态相应快、对电机参数依赖少、控 制简单的优点。异步电动机直接转矩控制是建立在对电机的转差角频率控制的基础之上 的，而同步电机从宏观上讲，并不存在转差角频率。因此，在异步电动机直接转矩控制 方法出现十几年的时间罩，虽然也有人在致力于永磁同步电动机直接转矩控制方面的研 究，但始终不见这方面的文献。 直到1 9 9 7 年，南京航空航天大学与澳大利亚新南威尔士大学合作提出了永磁同步 电动机直接转矩的控制方案。自此以后，这方面的文献逐渐增多。文献 2 4 对零电压矢 量如何在永磁同步电动机直接转矩控制中应用进行了详细地分析，在感应电机中，定子 磁链之取决于定子电压，因此当施加零电压矢量时，定子磁链将保持位置不变且不产生 任何转矩，使电机转矩迅速减小；但在永磁同步电动机中，定子磁链由定子电压和永磁 磁链共同产生，在施加零电压矢量时，定子磁链依旧存在且在旋转，并不能起到迅速减 小转矩的作用。 永磁同步电动机直接转矩控制虽然具有动态响应快速的优点，但与矢量控制相比， 其转矩脉动较大。与矢量控制相比，主要有两方面的原因导致其转矩脉动较大：( 1 ) 组 成该系统的转矩、磁链控制器所采用的滞环控制器需要一定的滞环宽度，这必然会造成 一定的转矩和磁链脉动；( 2 ) 另外，在电机运行过程中定予电阻的变化会引起转矩和磁 链的估计值偏离实际值，对控制系统的性能会带来直接的影响。近年来的研究大多是针 对如何减小其转矩脉动来进行的卜m 。文献 3 4 3 5 提出可以用模糊控制器代替传统 的滞环控制器，利用模糊逻辑处理不确定信息的能力，根据转矩和磁链的设定值、估计 值束选择合适的电压矢量。该方法虽然在一定程度上可以减小转矩、磁链的脉动，但它 没考虑定子电阻变化对转矩、磁链估计值的影响。文献 3 6 给出了一种利用电流设定值 和实际值进行定子电阻在线估计并对其进行补偿的方法，但这种方法却忽略了滞环控制 器的影响，也不能从根本上解决转矩和磁链脉动的问题。 1 4 课题主要工作 本课题主要围绕7 5 k w 电动汽车用永磁同步电动机驱动系统的丌发展丌工作。其具 体内容包括系统软件设计和硬件设计两个主要部分： 系统软件部分包括以下内容：1 ) 系统电流控制算法采用矢量控制i d = 0 控制：2 ) 在系统转速控制器的设计上，为提高系统响应能力，转速控制器采用模糊控制器；3 ) 一6 沈日l 。 = 业大学硕+ 学位论文 系统p w m 调制方式选择为空间矢量p w m 。 系统硬件设计方面：主要包括系统大功率主电路的设计和基于d s p 的系统控制 电路设计两个组成部分。 乍 电机驱动系统 2 车用电机控制系统控制策略分析 2 1 永磁同步电动机的数学模型 电动汽车用永磁同步电动机的定子与传统的感应电动机的定子结构基本相同，有空 间对称分布的a 、b 、c 三相绕组，转子上安装有永磁体，永磁体的励磁磁场与定子绕组 中的电流产生电磁耦合作用，使电动机转动。为了建立永磁同步电机的数学模型，通常 先做如下假设卿1 ： 1 ) 电机的磁路是线性的，不计磁路饱和、磁滞和涡流的影响； 2 ) 三相绕组是完全对称的，在空间互差1 2 0 。，不计边缘效应； 3 ) 忽略齿槽效应，定子电流在气隙中只产生正弦分廓的磁动势，忽略高次谐波： 4 ) 不计铁心损耗。 将定子相绕组中a 相绕组的轴线作为空问坐标的参考轴线d s 。在确定磁链和电流 的正方向后，永磁同步电机在静止a 、b 、c 坐标系下的定子电压方程为： 驴r 鲁+ 耔 式中：蚝= b 。“。卜= 【f ai 。i c 7 ，r = 飓 膨a 8 k 肘c b牛燎熬 ，f b ，f c a ，b ，c 三相绕组电流 ，“b ，u c _ a ，b ，c 三相绕组电压； 愿定子绕组的电阻； l 。，l b , l 。电机定予绕组自感应系数； 肘。定子x 绕组与y 绕组j 日j 的互感应系数； p ，转子永磁体磁极的励磁磁链； 一8 一 ( 2 1 ) a 卧 队 膨膨 l = e 沈r l1 ：业人学硕十学位论文 0 转子d 轴超i i 定子a 相绕组轴线( 参考轴) 的电角度。 由以上公式中可以看出，在a ，b ，c 坐标系中，永磁同步电动机的模型方程不仅复 杂，而且电磁耦合程度还与转子位置有关，即方程是非定常的。 d q 坐标系是转子同步旋转的，它的空间坐标以d 轴与参考轴a s 问的电角度0 来确 定，见图2 1 。 图2 1p m s m 的空间矢量图 f i g 2 1s p a c ev e c t o ro f p m s m 永磁同步电动机从静止的a b c 三相坐标系到d q 旋转坐标系，有如下的变换关系 c o s 口c 。s ( e - 詈万) c 。s ( 口+ 子石) s i n p s i n ( o i 2 万)s m ( o + i 2 石) jj 后捱捱 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中的系数矩阵又称为三相a b c 到d q 二相坐标系的转换矩阵。此转换矩阵 也适用于永磁同步电动机的电压和磁链等物理量的变换。利用转换关系矩阵，可得到永 磁同步电动机在d q 坐标系的电压方程 甜d = 愿毛+ p l d i d c o l q ( 2 3 ) 电磁转矩方程 盯q = r s i q + p 工q l 。q + t o l d i d + 国昕 ( 2 4 ) 巨忪 l | 1，j hb l 午刚电机驱动系统 运动方程 乙= p 眇r + ( 岛一厶) i d i 。】 = 却缈r + r n 国，+ 瓦 ( 2 。5 ) ( 2 6 ) 式中p 微分算子，p = d d 如 永磁同步电动机的粘滞阻尼系数； 永磁同步电动机感生电动势的电角度= p r o ，； 甄，y 。永磁同步电动机的直轴磁链和交轴磁链 蜥d q 坐标系中电机的空载永磁磁链，= 3 ，= 鼠加，e o 为三 相坐标系中的电动机的空载反电动势相有效值。 永磁同步电动机的交直轴电流矢量关系如图2 1 ，由图中可知，毛= f , c o s a ， i q = i , s i n f l o 。若将此关系式代入式( 2 6 ) ，则有 t 。= p i g ，s ，n 磊+ 三( 毛一厶) 昏i n ：磊 ( 2 7 ) 上式中第一项是由定子电流与永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转矩，定子电流 空日j 矢量与定子磁动势空间矢量z 同轴，所以屁角实际上是定子三相基波合成旋转 磁场轴线与永磁体基波励磁磁场轴线自j 的空间电角度。风为又称为转矩角。第二项是 由转子的凸极效应产生的磁阻转矩。凸极效应取决于永磁同步电动机的凸极率 ， p = 。彤，其直接决定磁阻转矩的大小。对于内置式转子结构，由于直轴磁路上有永磁 体，所以厶 i ) ；表面式转子结构，l d = 厶，因此不存在磁阻转矩。在内 置式永磁同步电动机的矢量控制系统中，根掘不同运行区域，灵活有效地利用这个磁阻 转矩可以增加电动机的电磁转矩或扩大其调速的范围。而且，当转速恒定时，仅是一组 常系数的线性微分方程。磁链与电流的关系也是线性关系。图2 2 是永磁同步电动机的 时间向量图。 沈日1 1 ：业人学硕十学位论文 q 以 l 2 、 成 、。 、 i a 图2 2p m s m 的相量图 f i g 2 2p h a s o r o f p m s m d 为了推导计算方便，对d q 坐标系下的永磁同步电动机的方程标幺化，下标n 表示标幺化以后的物理量。在永磁同步电动机分析中采用如下的标幺化处理方法： ( o n = 叫n “n = u r o n = f 舻，l 。) = 叫( c o 。l 。) = 乙( p 昕2 l d ) l l ，。= 咿| i f ，t ( 2 8 ) 式中，f 。，u 。，r n 和分别是转矩、电流、电压和电角速度的标么值。经过标 么化处理以后，永磁同步电动机的定子电流为 式中，为电机定子电流的合成矢量标幺值。 ( 2 9 ) 采用功率不变约束的坐标变换后，d q 轴系统中的电流= 豇，= 五( ，为三 相系统中电流的相有效值) 。如无特别声明，本文以小写字符代表d q 系统中的( 电压和 下h 3 电机驱动系统 电流) 瞬时值，而以大写字符代表楣应的三相系统中的相有效值m 1 。 电磁转矩的标幺化方程为： 乙= 0 一( p 1 ) 0 ( 2 1 0 ) 2 2 永磁同步电动机矢量控制系统电流控制策略 电动汽车对电动机驱动系统转矩控制的要求可以归纳为：响应快、精度高、转 矩波动小、系统效率和功率因数高等。从以上的分析可以看出，对永磁同步电动机 的输出转矩的控制可归结为对交轴电流和直轴电流的控制。交轴电流和直轴电流的 不同组合，将影响控制系统的效率、功率因数以及转矩输出能力等。如何根据给定 转矩确定交轴电流和直轴电流构成了永磁同步电动机的电流控制策略问题。 永磁同步电动机矢量控制系统中常采用的电流控制方法主要有“”： 1 ) j d = 0 控制； 2 ) 最大转矩电流控制等。 2 2 1 = 0 控制 毛= o 控制是最简单的矢量控制方法，该方法无去磁效应，控制算法简单，易于实 现，可靠性高，电磁转矩与定子电流成正比，同时，电动机正、反转运行期间都具有较 高的效率和较高的功率因数”。该方法电流算法的计算量小，很适宜用普通单片机作为 主控单元的系统，目前大多小功率的永磁同步电动机伺服系统都采用i d = 0 的控制方法。 采用i d = o 控制，即定子电流矢量的直轴分量f d = 0 时，电机相量图如图2 3 所示。 图2 了电机相苗图 f i g 2 3p h a s o ro f m o t o r d 沈日i1 ：业人学硕十学位论文 电动机的电磁转矩为： 此时，永磁同步电动机电压方程可写为： r = 吾p f ，r f q 。一c o l q i q = 咫+ p l q i q + m g r 此时系统的功角正切函数、功率因数分别为： t a n 8 = p 0 = p ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) c o s e = c o s ( p o 一要一5 ) = c o s t a n | ( p 乙) 】 ( 2 1 4 ) 2 2 2 最大转矩电流控制 最大转矩电流控制是在恒转矩运行区域，电机输出给定转矩条件下，控制定子电 流最小的电流控制方法，也称单位电流输出最大转矩的控制。该控制算法是根据电动机 的电磁转矩方程，满足定子电流的条件极值下导出。 现对式( 2 9 ) 、式( 2 1 0 ) 中的，分别求极值，并联立求解。得到交、直轴电 流的关系 = ! 二匝2 ( p - 二o ! 鉴 ( 2 1 5 ) 代入实际的电动机的参数，上式即为 0 =：坚髀丝璺( 2 1 6 ) = ：- - - 一 izlnj 2 l p 一1 ) l e 因此，在永磁同步电动机的恒转矩运行区域，若按照式( 2 1 6 ) 对交、直轴电流进 行控制，电动机定子电流的轨迹沿图2 4 中的o a 段，即可实现永磁同步电动机的 最大转矩电流控制”。 印用电机驱动系统 - 与 乃杂 v 明 ，弋_ = l ：= = = ，譬一氧一卜c ；| !l 尊羔 j 。 i t x r j i - t l t t i l t , , t e 。再8 1 。8 电挽极限霸 厂滚 厂，多震 、， !：、 i 二濮拶j _ 电压极限精西 a ) ( 厶 l i h ) b ) ( 厶 2 0 r a d s e c 、e s l = 2 0 r a d s e e 时，取e s l = 2 0 r o d s e e 、e s l - 一2 0 r a d s e e ：当e s 2 5 r a d s e e 、 e s 2 u r r , a x 时，令“= + 甜。或“= 一“一。 本系统所设定p i 控制器的输出限幅值为额定电流的1 1 倍。积分分离的p i 控制器程序 流程图如图4 8 所示。 圜 斟4 8p i 控制器样序流挂图 f i g 4 8p if l o w c h a r t ( 2 ) 电流环节本身零点漂移的影响。电流环节零点漂移包括：1 ) 给定信号的零点 漂移；2 ) 电流检测环节的零点漂移：3 ) 调节器的零点漂移和4 ) p w m 逆变器的零点漂 一4 2 沈r it 业大学硕士学位论文 移等。其影响结果是使输出电流波形发生畸变，使电机的转矩波动增大。通常，因素1 ) 、 4 ) 的影响较小，因素3 ) 可通过合理调整控制器参数来抑制。 为减小电流检测环节的零点漂移本文采取以下两方面措施： 1 ) 信号调理电路使用模拟放大器，放大器零漂是电流检测环节的零点漂移的主要 来源之一。因此，在精心选择调理电路组件( 放大器共模抑制比高，温度系数小等) 之 后，仔细调整放大器，将零点漂移控制在1 0 n g 以内。同时，为保证电机对称运行，电 流各反馈信道反馈系数必须相等。 2 ) 由于d s p 仅对正信号有效，所以，在硬件电路进行信号处理时，进行了信号电 平抬升处理，即在所检测有用信号上叠加一个+ 1 6 5 v 直流偏执信号，此信号在进行a d 转换后，通过软件计算的方法再将其去除。为抑制电流检测环节的零点漂移，除了在硬 件检测电路的设计中采取必要措施外，软件上，在系统上电运行前，对该直流偏置进行 在线检测，使用滑动平均值滤波法进行数字滤波处理，以减小软件计算带来的零漂误差。 4 2 7s v p 哪算法研究与实现 。 目前，p w m 开关信号的获得最常见的方法是正弦脉宽调制( s p w m ) 和空间矢量脉宽调 制( s v p w m ) 。其中，s v p w m 方法具有直流电压利用率高，电压谐波小，便于数字化实现 等优点。 ( 1 ) 空间矢量合成的基本原理。空间矢量p 惭是指根据三相逆变桥的上下桥臂两 个开关管的不同组合输出不同的脉冲序列，用于控制交流电机和永磁同步电机，在电机 定子绕组内生成三相正弦交流电流啪1 。 图4 9 三相电压源逆变器 f i g 4 9t h r e ep h a s ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r 一4 3 - 车_ l l j 电机驱动系统 图4 9 是常用的三相电压源逆变器的主电路结构图。图4 9 中，u a ，“，u 。是逆 变器的相电压输出，q 瓴是6 个功率晶体管，它们分别被a a ，b ，b ，凸c 这6 个控制信号所控制。当逆变桥上半部分的一个功率晶体管开通时( 即a ，b 或c 为1 时) ， 其下半部分相对的功率晶体管被关闭( 即a ，6 或c 为0 ) 。因此，q ，q j 和q 5 这3 个功 率晶体管的开关状态，即丌关量 a ，b ，司和线电压矢量 玩，玩，比 、相电压矢量 “，明 之自j 的关系为： 1 蚓札匕 渺七 式中，为输人直流母线电压。 u ( 0 0 1 )c ，( i o i ) 图4 1 0 基本空间欠龉及欠掇合成示意图 f i g 4 1 0b a s i cs p a c ev e c t o ra n dv e c t o rm a t r i xs y n t h e s i s 在( 口， 坐标系中与输出的三相线电压相对应的分量可由下式表示： ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) h h h h 1，j 1j o o 一o ： 一o o ：o 沈r n ：业人学硕+ 学位论文 阱詈 1 i1 22 o 巫一巫 22 ( 4 1 i ) 式中，【，蛆，l k 为基本空间矢量的口，轴分量，每个基本空间矢量与合适的功率晶体管 的开关命令信号组合( c ，b ，矗) 相对应。8 个基本空间矢量示意图( 其中包括两个零矢量) 如图4 1 0 所示。 根据伏秒平衡原则和时间总和恒定原则，口，坐标系下任何一个矢量u 0 ，只要满 足条件i 吒i o t h e n a 2 1 ，e l s e a = 0 i fh 0 t h e n b = i ，e l s e b = o ( 4 1 5 ) i fv c 0 t h e n c 2 1 ，e l s e c = o c ，叫所在扇区n 可通过下式计算得到： n = a + 2 b + 4 c 3 ) 计算与相邻的两个基本空问矢量的作用时间 表4 3t 一，r 与x 、y 、z 的对应关系 t a b 4 3t i ，t 2a n dx ，yzc o r r e s p o n d e n c e 定义x 、y 、z 三个变量来计算两个基木空间矢量的作用时间正，互： x = 矗k m v s 8 w r = 譬v s 州l 吾v 。m v s 耐 ( 4 1 6 ) ( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) 乍州电机驱动系统 z = 孚柏。一吾v 。m “ 由之前确定的电压矢量所在扇区值，通过表4 3 可以由x 、y 、z 值得到互，瓦。 其中，变量五，五分别为在相应扇区内以逆时针为顺序的两相邻电压矢量在半个采 样周期中各自所作用的时间。由上面的分析可以看出，空间矢量开关时间决定了产生近 似合成矢量所要求的丌关点。然而，这个方法的一个不利方面是当调制器出现饱和时的 特性。在这种情况下，五加上疋的和可能超过r ( 对零电压矢量产生一个负的作用时问) ， 因此要求对五和疋进行饱和处理后再赋值。 如果( 正+ 疋) ，则令： t，t， ，1 = f l 惫f 2 = f z 麓 ( 4 2 0 ) 4 ) 给t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的全比较单元的全比较寄存器c m p r a x ( x = l ，2 ，3 ) 分别赋值。 实现方法如下： 设t a ，t b ，t c 为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 计数器的三个必需的服务周期，则 f 。= t - 2 t 广, - 2 t 2 t b = f a + t i ( 4 2 1 ) t c = t b + t 2 5 ) 根据参考电压矢量所在的区域，将准确的服务周期( ，x ) 分配给电机j 下确的相， 即分配给相应的c m p r a x 。按表4 4 给c m p r a x ( x = l ，2 ，3 ) 赋值。 表4 4c m p r a x 赋值表 t a b 4 4a s s i g n m e n ts h e e to f c m p r a x - 4 8 沈日i t 业人学硕十学位论文 综上所述，在每个p w m 周期中，根据p m s m 控制系统给出的【，艄，【k ，执行上述步骤， 通过t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片全比较单元的比较寄存器，即可得到对称的空间矢量p w m 波形。图4 1 2 为d s p 输出s v p w m 波形图。 4 3 本章小结 。k k几s t e p + 一 轴垤f e c 动作 圃 格式 衄 关于 存图像 选择 文件夹 储存 t 暖0 0 0 孓b h p 0 4 1 删c l 惶删ms 咖“c ，铷洲 1 一j a n - 0 72 2 ：3 4 1 0 图4 1 2 实测d s p 输山s v p v n 4 波形( 低有效) f i g 4 1 2d s po u t p u tw a v e f o r mm e a s u r e ds v p w m 本章详细介绍了软件程序设计方法。首先介绍了软件程序的总体设计结构，在此基 础上给出了系统各主要模块的软件程序的设计思路及其实现方法，包括速度检测和定 标，模糊转速控制器的设计与实现，电流值检测计算和定标电流环数字p i 调节器的软 件实现等。最后，在简单介绍了空间电压矢量( s v p w m ) 的调制原理的基础上，给出了实 现s v p w m 调制策略的实现方法。 - 4 9 下埘电机驱动系统 5 系统试验 根据前面介绍的系统硬件电路和软件控制策略，对本论文所设计基于模糊速度控制 器的矢量控制系统进行了实验研究，以检验所提方法的有效性。下面给出了控制系统在 不同转速下的空载、同一转速不同负载以及电机施加负载突变时电流试验波形。 试验用电机的部分参数如表5 1 所示： 表5 1 永磁同步电动参数 t a b 5 1p m s mp a r a m e t e r s 参数名称参数数值 额定功率j p n ( k w ) 额定电压【，n ( v ) 磁极对数p 定子电阻r ( o ) 直轴电感l d ( m h ) 交轴电感l q ( m h ) 转子磁链坼( w b ) 空载时，在不同转速下电机相电流波形如图5 1 所示： 团 飞八八八八八委 圈 t m m m 壤 图5 1 a ) 4 0 0 r m i n 空载电流波形图 f i 西1 a ) n o l o a d4 0 0