（电机与电器专业论文）混合励磁无刷直流电机在电动汽车中应用的研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l e ( e i sf a c i n gad e v e l o p m e n t a p e xu n d e rt h ep r e s s u r eo f r e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t a lc r i s i s m o r ea n dm o r ee v p r o d u c t s h a v eb e e np u ti n t om a r k e tw i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i ct e c h n o l o g i e s 。 p u r ee vi sd i f f i c u l tt om e e ts u f f i c i e n td i s t a n c e ，s oh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) h a sb e e np a i dm o r er e c e n t l y t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ee l e c t r i c a lp a r to f t h e e l e c t r i c i t y p r o p e l l e da u t o m o b i l e s t h ew r i t e rf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r e ， w o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ee s t a b l i s h m e n to f t h em a t h e m a t i cm o d e lo f t h e m i x e d m a g n e t i cb n l s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r a n dt h e ne l a b o r a t e so n t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g no f t h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m t h e s y s t e ma n dt h ee l e m e n tm a i n l yu s e di nt h es y s t e ma r ei n t r o d u c e da sw e l l a st h ec o n t r o lc i r c u i ta n dt h em a i nc i r c u i td e s i g n t h ek e y p o i n t sl i ei n i n t e r f a c er e s o l v em e t h o di nh y b dv o l t a g e - l o g i c d e s i g n ，a ds a m p l i n g c i r c u i t ，s p ic o m m u n i c a t i o np e r ta n dt h ep r o t e c to f t h em a i nc i r c u i t i nt h e s o f t w a r ep a r t s ，i n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g i ci si n t r o d u c e df i r s t l y , a n dt h e n t h ei m a g i n a t i o no fs u b s e c t i o nc o n t r o li sb r o u g h to u t t h er e s o u r c e s a l l o c a t i o no ft h es y s t e ms o f t w a r ei sd i s c u s s e di nd e t a i l a tl a s tf l o w c h a r t s o f m a i np r o g r a m ，p r o g r a mi n i t i a l i z a t i o na n dp r o g r a mi n t e r r u p t i o na r e f o r m u l a t e h y b r i de x c i t a t i o nb r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e dd s pi s m o s t l ya n a l y s et oo p t i m i z em a g n e t i cf l u xc h a n g i n ga n ds p e e dc o n t r 0 1 辽宁工程技术大学硕士学位论文m o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h ew h o l ep a s s a g e ，w ef o r e c a s tt h e d e v e l o p m e n to f t h i sr e s e a r c h k e yw o r d ：e l e c t r i c a la u t o m o b i l et m s 3 2 0 l f 2 4 0 x h y b r i de x c i t e db m s h l e s sd c m o t o r d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题背景及选题意义、来源 电动汽车是以自载电池为电源，依靠电动机提供动力，且符 合道路交通、安全法规各项要求的车辆。与内燃机汽车相比，电 动汽车具有可以使城市空气和噪声污染显著降低、能源利用更加 合理、广泛等显著优点，是2 1 世纪重要的新型绿色环保交通工具。 自1 9 9 4 年起，中国己成为纯石油进口国，石油进口量逐年 增加；低排放的环保。绿色”电动汽车可以解决上述问题，又可 为人们提供干净、舒适、优美的驾驶和乘车环境，因此电动汽车 将成为我国汽车工业发展的首选。十五”重大科技专项之一的电 动汽车项目的实施，将为以“绿色、科技、人文”为宗旨的2 0 0 8 年北京奥运会提供绿色车辆，保证环保性能达到世界发达国家的 先进水平。 目前，开发高性能电动汽车得到各国相关部门的高度重视， 多种电动汽车样车频频涌现，有些已推上市场。电动汽车的开发 研制对我国具有更加重要的意义。1 ) 可实现经济和社会的可持续 发展。汽车工业是支柱产业，电动汽车的发展会带动相关产业的 发展，使国民经济形成新的经济增长点，从而实现我国社会和经 济的可持续发展。2 ) 可实现我国汽车工业的跨越式发展。电动汽 车的产业化可以迅速缩短我国与发达国家在重要工业支柱产业一 汽车工业的差距，从而实现我国汽车工业的跨越式发展。限制电 动汽车应用的主要因素是其一次充电续行里程和价格，本质上的 制约因素是动力蓄电池技术。在当前车载蓄电池技术未能突破的 情况下，电动汽车电驱动系统是实现电动汽车基本性能和解决上 述制约问题的关键心1 ，这要求电动汽车电动系统应具有尽可能高 的转矩密度、良好的转矩控制能力、高的运行可靠性及在整个调 速范围内具有尽可能高的效率。电动汽车电驱动功能的实现涉及 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 一 电机、电力电子、微处理器、蓄电池等多学科技术领域，是赶超 世界汽车行业先进水平的关键。因此，对电动汽车电驱动系统的 研究开发具有重要的社会意义和工程实际意义1 。 目前，电动汽车电驱动系统主要包括有刷直流电动机系统、 感应电动机系统、无刷直流电动机系统、开关磁阻电动机系统、 永磁同步电动机系统及混合励磁无刷直流电机系统，其中混合励 磁无刷直流电机系统具有高效率、高的功率密度和转矩密度、较 好的弱磁扩速能力、较低的振动噪声等性能特点，具有电动汽车 驱动的最优综合指标。 1 2 电动汽车及其所用电动机的研究现状 1 2 1 电动汽车的发展现状 目前，美国、日本和以法、德为代表的欧洲国家在电动汽车 研究方面居于世界领先水平。国外电动汽车经过2 0 世纪7 0 年代 和8 0 年代的发展，已经积累了大量的经验和成果。进入2 0 世纪 9 0 年代以来，由于空气污染的日益严重，各国政府和汽车公司都 清楚地认识到电动汽车将会是最佳的绿色环保产品，因此纷纷投 入巨资开发和研制电动汽车。美国能源部与三大汽车制造商( 通 用、福特、戴姆勒克莱斯勒公司) 宣布，启动开发燃料电池汽车 的新计划“f r e e d o mc a r ”( c o o p e r a t i v ea u t o m o t i v er e s e a r c h ) 。新计 划的目的是在提高轿车和货车的效率、降低运输成本的同时，消 除大气污染；降低对海外原油的依赖程度。欧洲以德、法两国的 电动汽车研究晟为突出，电机驱动系统主要采用感应电机、永磁 无刷电机和混合励磁无刷直流电机，也进行了其它电机的尝试。 由于德国、法国等国家也相继出台了一系列优惠政策来发展电动 汽车，所以，各大汽车公司纷纷推出了自己的概念车和电动汽车 产品。 从2 0 世纪7 0 年代开始，我国开始了电动汽车研究和开发。1 9 9 2 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一3 一 年电动汽车首次被列入国家重大科技攻关项目。1 9 9 5 年1 0 月，在 北京召开了全国电动汽车发展战略研讨会，会议一致确认发展电 动汽车是一项意义深远的重大战略决策。“九五”期间，国家科技 部把电动汽车列沁“8 6 3 ”国家重大产业工程项目。2 0 0 1 年1 月2 5 日，国家又正式宣布启动“十五”期间“8 6 3 计划”电动汽车专 项。十五期间，对纯电动、混合动力、燃料电池三种类型的电 动汽车产品都有具体目标。在国家政策扶持下，各大科研院所及 企业纷纷以各种形式参与电动汽车研发的竞争1 。 1 2 2 电动汽车的技术研究 世界各国对电动汽车都进行了大量的研究工作，主要集中在 电动汽车的能量管理技术、整车控制技术、电驱动技术、蓄电池 制造检测及充电技术、车体技术等。能量管理技术主要包括电动 汽车的集中能量管理系统1 及二次能量管理单元( s e s u ) 1 。 整车控制技术主要包括能够考虑电动汽车的负载特性并充分 利用电动汽车转矩快速精确控制特性而引出的电动汽车的新型控 制策略。车体技术主要包括车体的优化设计、车底盘的设计及控 件利用的优化设计等1 。蓄电池技术包括电动汽车用新型蓄电池 的研究开发“1 、蓄电池质量的检测”。充电技术则围绕蓄电池 的快速安全充电而展开“3 。”。电驱动技术是电动汽车的主要焦点， 以驱动电动机为中心，辅以各种新型控制技术而展开。 1 2 3 电动汽车用电动机的国内外研究现状和发展趋势 电驱动系统是电动汽车的核心技术，是提高电动汽车的驱动 性能、行驶里程以及行驶方便性、可靠性的保证。尤其是在目前 蓄电池技术未取得突破的背景下，电驱动系统是保证电动汽车续 行里程、使之实用化的关键。 电动汽车运行于较宽的负载和速度范围及不同的路况下，其 驱动用电动机的运行工况非常恶劣，不仅表现在路面、气候及大 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一4 一 幅度变化的交通状况，更重要的是由于电动汽车用电动机靠蓄电 池这种有限能量电源供电，而蓄电池的电压变化范围大，特别是 当电压降至临界时的实际容量受到极大的限制，上述因素严重影 响着电动汽车用电动机系统的整体性能。电动汽车用电动机系统 的开发必须综合考虑上述因素，保证系统性能优异、高效和可靠。 因此，与其它方面的应用相比，电动汽车驱动用电机及其控制系 统的特殊要求如下6 m ”： ( 1 ) 电动机处于频繁起动、加减速、变速范围宽和制动回馈的 工况下，要求有良好的控制性能。低速( 恒转矩区) 运行应能够提 供大转矩，以满足起动、爬坡等要求；能够提供高转速，以满足 汽车高速行驶及超车的要求。 ( 2 ) 在整个运行范围内要求高效率，包括电动机、控制器及相 应传动方面的综合效率。目的是增加电动汽车一次充电的行驶距 离。同时考虑在滑行或下坡时的制动动能再生回用，而且在宽功 率变化范围内都有较高效率。 ( 3 ) 有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的起动加速性 能。目的是适应路面变化及频繁起动和刹车等复杂运行工况。 ( 4 ) 高可靠性，功率密度、转矩密度满足整车要求，成本低。 目前电动汽车用电动机正在向大功率、高转速、高效率和小 型化方向发展。电驱动系统研究的重点是各种类型的驱动电动机 及其控制系统，所用电机包括有刷直流电动机、感应电动机、开 关磁阻电动机、无刷直流电动机、永磁同步电动机及混合励磁无 刷直流电机系统1 。 1 3 混合励磁无刷直流电机的特点及应用川川 普通永磁无刷直流电机没有励磁绕组，不需要励磁功率，具 有效率高的优点。但是，如果要实现恒功率调速，必须采用弱磁 控制技术。由于永磁无刷直流电机常采用稀土永磁体励磁，气隙 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 一 磁通基本保持恒定，弱磁控制不易实现。对于直流励磁的同步电 机，磁通可以通过励磁电流调节，弱磁控制易于实现。但由于电 刷和滑环的存在，造成电机的体积增大、效率降低和维护量增大。 而混合励磁无刷直流电机正是综合了前两种电机的优点，电机除 了永磁磁钢外，还有一套励磁绕组来调节气隙磁密。 混合励磁无刷直流电机具有以下特点： ( 1 ) 由于磁场可以为励磁绕组电流所调节，磁场控制很容易实 现，可实现类似直流电机的低速助磁控制和高速弱磁控制。因而 适合于电动汽车的驱动电机等需要恒功率调速的场合，还可以作 混合电动汽车的发电机运行。 ( 2 ) 由于采用无刷结构，维护容易。 ( 3 ) 由于电机为方波磁场，单位体积出力大，功率密度大。与 传统的永磁电机相比，虽然效率有所降低，但电励磁部分励磁电 流小，绕组励磁的功率小，效率的降低不多。 混合励磁无刷直流电机的优点是：调速性能好，可以达到直流 电机一样，但没有直流电机的碳刷及集电环易损坏的缺点；效率 高；体积小：重量轻；出力大。在电动汽车的使用中具有广阔的前 景。这种电机保留了永磁电机效率高的优点，又能方便的进行调 磁，扩大了调速范围。由于这种弱磁控制已完全独立于电枢电流 的控制，因此不仅可以用于电动机运行状态时的弱磁扩速功能， 还可以实现发电机运行状态的电压调节功能，它成功地解决了永 磁电机调磁调速的问题。在方波无刷直流机中采用混合励磁增磁 调节可以节省永磁材料、提高效率，比现有利用电枢反应去磁的 调速方法具有明显的优越性。将这种电机应用于电动汽车的驱动， 可以通过调磁来选择汽车运行中爬坡、加速及高速行驶所需要的 驱动力矩，显示出这种电机驱动的优越性能”。 1 4 本论文内容和结构 全文共包含六章内容。详细论述了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一6 一 的混合励磁无刷直流电机驱动系统的硬、软件设计和系统控制策 略，各章节内容如下： 1 绪论。回顾电动汽车的发展历史，简述了国内外电机驱动 系统的研究状况，指出了当前研究的发展趋势，以及本文研究工 作的目的、意义和方法。 2 混合的混合励磁无刷直流电机的数学模型。介绍了混合励 磁无刷直流电机驱动系统在理想假定前提下的数学模型。 3 控制策略。混合励磁无刷直流电机的调速可通过调压或调 磁来实现，因此如何根据负载的变化，较好地协调这两者工作， 从而实现较大范围内的平滑调速是这种电机控制的关键。总的来 说，就是要实现调磁、调压与调速之间的动态最优化控制。 4 控制系统硬件介绍。首先论述了硬件的整体设计，给出了 硬件控制系统的原理框图。在介绍主要控制元件后，详细介绍系 统的两个主要电路：控制电路和主电路。对控制电路中不同逻辑电 平之间的接口实现做了详细的分析。 5 控制策略及系统软件。结合的工作原理，分析其控制方案 得到系统的控制策略。然后介绍这种控制方式下系统资源的分配， 以及主要程序的设计流程。 6 利用仿真手段对控制系统进行了仿真，并且做了简单的分 析。 7 结论与展望 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一7 2 混合励磁无刷直流电机的数学模型 本章主要介绍了混合励磁无刷直流电机的基本结构，在分析 其工作原理的基础上，建立了这种电机的数学模型。 2 1 混合励磁无刷直流电机系统基本结构 从广义的电机概念看，混合励磁无刷直流电动机与普通永磁 无刷直流电动机构成基本相同，都由三大部分组成：电机本体、控 制器、位置传感器。如图2 1 所示。它是在永磁直流电机基础上发 展起来的，采样电子换相来代替永磁直流电机的机械换相，实现 直流到交流的转换。 + 位置传感器 图2 - 1 混合励磁无刷直流电机基本构成 2 1 1 混合励磁无刷直流电机 口基本结构川圳川2 2 1 混合励磁无刷直流电机的总体结构如图2 2 所示，同普通永磁 无刷直流电机相比，该电机无论是在定子方面还是在转子方面都 采用了非常独特而巧妙的结构。在其定子里面，同时集成了两种 线圈，一种是普通的定子电枢绕组；另一种是在定子中间位置沿 圆周方向安放的励磁线圈，在励磁线圈中施加正向或反向的可调 节的直流电流，就可产生不同方向与幅值的励磁磁势，该磁势作 用在特殊设计的转子磁极上就可产生增磁或弱磁的效果从而达到 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一8 一 调磁的目的。另一方面，众所周知，永磁材料的磁阻很大，励磁 线圈产生的励磁磁势要通过它形成磁路很困难，因此，电机的转 子采用常规的永磁转子是不行的，还得进行专门的设计。为此， 混合励磁电机的转子采用了独特结构，它在轴向分成左右两部分， 一边是s 极永磁体与铁磁极相问安装，另一边是n 极永磁体与铁 磁极相间安装，且左右两边的铁磁极错开一个磁极( 图中所示为 三对极转子) 。因此，励磁电流产生的磁势就可通过铁磁极形成可 调磁通，电机的气隙磁场就是由永磁体产生的固定磁场和可变的 励磁磁场综合作用的结果，我们称之为混合励磁。 7 i i d 定子铁，4l l l 1 1 夸 i 定子绕组 铁磁极 i 轴 转子铁心 。 d 。 赢 b l i 。 图2 - 2 混合励磁无刷直流电机结构示意图 b 调磁机理阻2 1 当励磁电流，= 0 时，励磁线圈不产生励磁磁势，此时，气隙 中只有永磁体产生的永磁磁通中y ，图2 3 所示为将转子与定子沿 圆周方向拉直后从轴向( 图2 2 的u 边向v 边) 观测电机结构示意图。 根据磁路磁阻最小的原则，n 极磁片的磁势沿气隙进入定子硅钢 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一9 一 片再经过气隙进入转子铁磁极再回到永磁体形成磁路并将其圆周 方向的相邻的铁磁极磁化成s 极( 注意：电机定、转子间的气隙宽度 远远小于磁极之间的宽度，也远远小于励磁线圈槽的宽度) ；同样， 另一端的s 极磁片会将其圆周方向的相邻的铁磁极磁化成n 极。在 此情况下，电机工作于普通永磁无刷直流电机的工作状态，只是 其气隙磁通只有同等规格的永磁电机( 电机参数完全相同，转子磁 极全是永磁材料) 的一半。 图2 3 无励磁电流时的磁通示意图 当在励磁线圈上施加如图2 - 4 所示方向的励磁电流，时( 定义 为，的正方向) ，则励磁电流产生的磁势将沿着u 边定子轭硅钢 片一空气隙一转子u 边的铁磁极一转子铁心一v 边的铁磁极一空气 隙一v 边定子轭硅钢片一机壳一u 边定子轭硅钢片这样一条磁路形 成磁通( 参见图2 2 ) ，而永磁极由于对外加磁势的磁阻很大，励 磁磁势无法通过它形成有效磁路。这样永磁极上的磁通将基本维 持中y 不变，而铁磁极上的磁通将在原中y 的基础上将叠加一个 励磁磁通o ，见图2 4 ) ，这两路磁通方向一致，在铁磁极上以合成 磁场的方式出现，合成磁通中= 中y + 中l ，从而达到( v ) 增磁时 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一1 0 一 的磁通组成示意图增磁的效果。当励磁电流，。 o 时，励磁线圈在 铁磁极上产生的励磁磁通d 。的方向将与中y 相反，如图2 5 所示， 铁磁极上的合成磁通中= 中y 一中l ，因此达到了弱磁的目的。通过 定子 图2 - 4 励磁增强时的磁通组成示意图 图2 - 5 励磁减弱时的磁通组成示意图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 调整励磁电流的方向与大小，可在一定范围内改变增磁与弱磁的 效果。 2 1 2 转子位置传感器“。1 转子位置传感器起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关 电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成 电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各 具特点。目前在无刷直流电动机中常用的位置感器有下述几种形 式。 a 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用 的，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。在无 刷直流电动机中，用得较多的是开口变压器。电磁式位置传感器 具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应 性强、结构简单和紧凑等优点；但这种传感器信嗓比较低，体积 较大，而且其输出波形为交流，一般需经整流、滤波后方可使用， 因而大大限制了其在普通情况下的应用。 b 磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是利用某些半导体敏感元件的某些电参数 按一定规律随周围磁场的变化而改变的特性制成的，其基本原理 为霍尔效应及磁阻效应。目前，常见的磁敏传感器有霍尔元件或 霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。磁敏元件的主 要工作原理是电流的磁效应，它主要包括霍尔效应和磁阻效应。 其信号输出为数字脉冲，这种位置传感器对环境适应性很强，成 本低廉，但精度不高。 c 光电式位置传感器 光电式位置传感器因高精度的特点，近二三十年得到急剧的 发展，它利用光电效应，由装在电动机转子上的码盘和装在定子 上的光电开关( 光电检测元件) 构成。光电式位置传感器有绝对式 光电编码器和增量式光电编码器之分：绝对式光电编码器价格低， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 主要用于自控式变频调速系统中：增量式光电编码器对角度的检 测精度很高，主要用于矢量控制的变频调速系统中。光电式位置 传感器精度高，性能较稳定，输出为脉冲信号，易于与数字电路 相适配，但存在输出信号信噪比较大、使用环境要求较高等缺陷。 除上述三大类位置传感器外。还有正余弦旋转变压器和编码 器等多种位置传感器。但是，这些元件成本都较高、体积较大、 所配线路复杂，因而在一般无刷直流电动机中很少采用。 2 1 3 逆变驱动控制器 逆变驱动控制器负责将直流电转换成交流电向电机供电，它 控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，其功率逻辑开关 单元是控制电路的核心，功能是将电源的电压以一定逻辑关系分 配给电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。 而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的转子 位置信号。 由于这种电机与无刷直流电机一样，采用的是自控式逆变器， 电机输入端的频率和电机转速始终保持同步，不会产生震荡和失 步。 2 2 基本工作原理m 5 1 混合励磁无刷直流电机与普通的无刷直流电机相比，关键的 是多了一路励磁线圈，用于调节气隙磁通，它们的基本工作原理 是一样的。本设计采用三相星型绕组和“三相六拍一1 2 0 。方波型” 驱动电机，现以这种工作方式，说明该电机的运行原理。图2 6 为混合励磁无刷直流电动机的主电路。u ，v ，w 为电机定子三相电 枢绕组，l 为励磁绕组。 当不考虑励磁调节时，电机的工作原理就和永磁无刷直流电 机的一样了，以下就分析永磁无刷直流电机工作过程。首先来看 电机的矩角特性。矩角特性是指电机某一相绕组通入一个恒定直 流电流时，电机所产生的电磁转矩t 与定、转子之间的相对位置角 口( 以下简称为转子位置角) 之间的关系曲线t = ，( 钏，。转子位置 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一1 3 一 角。的原点可视需要而定，通常，把转子磁极轴线与u 相绕组轴线 五重合时的转子位置取为。口= 0 0 ，口以电角度表示，口角的示意如 图2 7 所示。图2 7 中同时标出了各有关参量的参考正方向。 图2 6 三相六拍一1 2 0 。方波型混合励磁无刷直流电动机的主电路 b ) 图2 7 无刷直流电动机顶转子相对位置图及各物理量参考方向 曲剖面图 6 ) 示意图 根据电磁力公式f = 跏马上可知，当电流，等于常数时，电磁 转矩t = b a ，所以u 相绕组通电时的矩角特性t = 厂( 刃曲线将与以曲 线相似，也是一个梯形波，如图2 8 所示。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一1 4 一 巧 苌| l j 1 扫 。| j毋 | 6 房 n1 2 r 1 图2 8u 相绕组矩角特性 当电机以国= d o d r 的角速度匀速旋转时，把时间坐标的原点 取在0 = 0 0 处，则0 = o a t ，口轴与科轴将是同一横坐标轴。在图2 8 的u 相矩角特性图上，t = 一乙的区域为只岛，且岛只1 2 0 ；t = 一乙 的区域为只b ，且岛只1 2 0 。那么，若在b 岛的区域内u 相绕 组上通入正向方波电流。，则电机在该区域将产生一个正向方波 转矩。当j 。的幅值变化时，转矩韵幅值跟着成比例改变，当。变 负时则转矩也将反向而成为制动转矩。同理，在以幺的位置区 域内，u 相绕组通入负电流则得到正转矩，通入正电流得到负转矩。 为后面叙述方便起见，把0 角的一个周期分成6 个等分区域 ，每个区域6 0 。，且把、区域的分界线定位在矩角特 性的正波幅处，即在只与岛的中点幺处，区域的相应位置 如图2 - 8 。v 、w 相绕组在空间与u 相相差1 2 0 。、2 4 0 。，v 、w 相绕 组的矩角特性= 厂( 、疋= f ( o ) 可以把l = ，( 研在口轴上平移1 2 0 。，2 4 0 。而得到，三条曲线画于同一坐标上如图2 - 9 a ) 所示。 由前面分析u 相可知，为得到正转矩，则区域中z 导通， 屯为正；区域中l 导通，毛为负，转矩仍为正。依次类推可 得到1 2 0 。交流方波电流工作的元件导通表如图2 9 b ) 所示。导通 顺序6 ，1 1 ，2 2 ，3 3 ，4 4 ，5 5 ，6 6 ，1 。得到的三相 辽宁工程技术大学硕士学位论文一1 5 一 电流波形如图2 - 9 c ) 。u 相电流产生的转矩如图2 9 d ) ，是两块1 2 0 。的正转矩。电机总转矩如图2 9 e ) 。 们 6 1 c ) d 、 p ) 刁 jr 刁 昂 1， 、 _ _ ，、 ，、一7、 1 ? 0 i?i71 ?i 区域号 导 上 1133551 1 3 通 管 下 622 4 4 6622 ， l厂 l 0 k t ， lr r _ 啼 l 厂 l r k r 正， ， ， ll r rv v 圜2 9 工作原理 混合励磁无刷直流电机的制动也很容易实现。从图2 9 可以看 出，在电机正向旋转时，只要在距角特性的正转矩区加上负电流， 负转矩区加上正电流。电机就可在0 一。的任意转速下得到与正向 电动完全对称的制动运行。也就是说要产生正向制动转矩，只需 把同一桥臂上下两个功率管的导通时刻互换即可，也就是说，正 向电动时互导通的时刻，由l 导通来代替，使电枢电流反向，其 他桥臂也要求同样互换。电动机就会产生正向制动转矩。制动时 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 一 电机将把机械能转变成电能经逆变桥送入直流侧。 从图2 - 9 可见，功率变换器输出的电流是1 2 0 。的方波交流电 流，其输出电压波形也是同相位的1 2 0 。的方波交流电压。若把它 们分解成傅立叶级数，取其基波分量计算，则会发现基波分量的 输出转矩将小于用方波算得的转矩。若再把5 、7 、次谐波分别 计算( 1 2 0 。方波无3 k 次谐波，y 接法时3 k 次谐波也不能流通) ，发 现每个谐波都能得到有用的转矩。也就是说，它的所有谐波都是 参与了正常的工作，它的总输出转矩是其基波分量与所有谐波分 量共同努力的结果。因此，无刷直流电动机不宜采用交流电机常 用的取其基波分量的算法，而应采用直流电机的算法。 由上述原理分析知道，无刷直流电动机的方波电流与转子位 置有严格的对应关系，受转子磁极位置检测信号的控制。一般无 刷直流电动机都带有位置检测器，输出三相互差12 0 。 ( 电角度) 、 宽18 0 。( 电角度) 的矩形波，如图2 - i 0 所示。对应于图2 - 6 电路， 各开关管的导通和关断将根据位置检测信号动作；图2 - 1 0 是电动 机正转时对应于编码信号的各功率管导通和关断的情况。编码器 用于无刷直流电动机的控制时，还有一个编码器的初始定位问题。 若在电机u 、v 端子通以适当的直流电流，在u 、v 相转矩的作用下， 转子将被吸合在磁极轴线对准i 一哥轴线的位置上，即图2 7 中 0 = 一3 0 0 的位置上，这时若转动装有光电开关的电路板，使光电检 测信号的某一个跳变沿恰好出现在该位置，如图2 - 1 0 中的1 0 0 码与 1 1 0 码的变更处，这时固定好装有光电开关的电路板，定位即完成。 对照图2 7 立即可知，每一个码值与图2 7 中的某一个位置 区域相对应，其对应的电机正转功率开关导通顺序也相应地标注 在图2 1 0 的下方。电动机的反转控制，只要改变一下三相方波的 通电顺序。对应于位置检测信号，只要按反方向的时序控制逆变 器的六个功率管通断。当位置检测信号u 、v 、w 为低、高、高时， 如果正转，应该使7 = i 、五导通，要是反转，则只要使正、正导通即 可。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一1 7 一 i 昂 i i l i 。 _ 岛 i l ii 1 1 0 ： 码值1 0 11 0 01 1 00 1 0 ：0 1 1 ：0 0 11 0 11 0 0 ii j l i 五 il _- 7 iil 互 ii jj i 五 - l ： i iii 瓦： i ； i ilill 疋i； iii ：l： 图2 - 1 0 位置检测信号与功率管导通关系 2 3 数学模型 为简化分析，作以下假设： ( 1 ) 定子电枢绕组为三相星型连接，三相绕组完成对称，无中线引 出。 ( 2 ) 忽略齿槽效应，不计端部效应。 ( 3 ) 不计铁心部分的磁压降及铁心内的磁滞、涡流效应。 ( 4 ) 不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似梯形波，平顶宽度为1 2 0 。电角度。 此时，混合励磁无刷直流电动机的电压的平衡方程式可用下列状 态方程表达： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一1 8 一 d “f u + lm m mlm m ml f 4 b l f i ， + 睡 ( 2 1 ) 式中：p 一微分算子p = d 出； “。、口。一电机三相电枢绕组相电压； ，一电机励磁绕组相电压； e a 、e b 、巳一电机三相电枢绕组反电势； 、一电机三相电枢绕组相电流； r 一电机三相电枢绕组的电阻； r ，一电机励磁绕组的电阻； 工一电枢绕组的自感； 工，一励磁绕组的自感； m 一电枢绕组间的互感。 由电机的结构决定，在一个3 6 0 。电角度内( 机械上一对磁极 距) ，转子的磁阻不受转子的位置变化而变化，又因为三相对称电 动机中存在f 。+ 乇+ j 。= 0 因而上式可化为： “口 “c u + l m l m l m f 4 b i c l ， + p 口 气 巳 o ( 2 一z ) 电磁转矩的表达式为： t = ( e o i o + e b i b + e 。i 。) d ( 2 3 ) 式中。为电机机械角速度，q = 2 翮6 0 。 在通电期间，电动机的带电导体处于相同的磁场下，各相电 枢绕组的感应电动势为： e = k 。中。刀 ( 2 - 4 ) 式中k 。为与电机结构参数相关的常数；，l 为电机转速，m ，为 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一1 9 一 气隙磁通的幅值，由前面调磁机理分析可得： 。= 中r + m = o r + k i i ： ( 2 5 ) 式中：k l 为与励磁线圈匝数、励磁磁路参数相关的系数；0 为 励磁绕组中的励磁电流。 从直流端看。星形联结的无刷直流电动机感应电动势目由两 相绕组经逆变器串联而成，所以有： e = k 。 r + 七，i l ) n ( 2 - 6 ) u a = 2 r i d + 2 e ( 2 - 7 ) 因此电磁转矩表达式可化为： 乃= 2 e ，d 2 = k r o i d = k r ( 中r + k i i ) i a ( 2 8 ) 式中：，。为方波电流的幅值，k ，= 6 0 托石与电机结构参数及连 接方法有关的常数。 由式( 2 8 ) 可以看出，混合励磁无刷直流电动机的电磁转矩表 达式和普通直流电动机很相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅 值成正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值和励磁电流即可 控制无刷直流电动机的转矩。当磁通不变，送入1 2 0 。电角度的三 相方波电流并使之与每相感应电动势同相时，在不考虑换流影响 时，电动机的转矩脉动等于零。 再加上转子运动方程： 死一瓦= ，詈( 2 - 9 ) 这样就构成了完整的三相混合励磁无刷直流电动机的数学模 型。 2 4 小结 本章摘要介绍了混合励磁无刷直流电机的结构、调磁机理， 并分析其工作原理的基础上，推导了这种电机的电压方程、转矩 方程和运动方程式，建立了电机的数学模型，为后面的控制提供 理论基础。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一2 0 3 控制策略 3 1 分区控制方案概述纠 由于混合励磁无刷直流电机特殊的结构，使得电机气隙磁场 强度可调，电机的调速控制更加灵活。混合励磁无刷直流电机的 调速可通过调压或调磁来实现，因此如何根据负载的变化，较好 地协调这两者工作，从而实现较大范围内的平滑调速是这种电机 控制的关键。总的来说，就是要实现调磁、调压与调速之间的动 态最优化控制。 由于加入励磁电流的同时会带来励磁损耗，因此在常规永磁 无刷直流电机能达到的工作范围内不主张进行磁场的调节，只在 转矩要求大于电机额定转矩以及转速超过转速范围时才进行磁场 调节控制。 根据以上思路对电机的工作范围进行分区讨论，分区情况如图 3 1 所示：在额定转速以上范围为高速弱磁调速区域，即图3 1 中的 b c d e 区。在额定转速以内范围为低速区，该区根据转矩要求分为 标准调速区b e o j 和增磁调速区a b j h 。 图3 一1 分区控制图 3 2 标准调速区( b e o j ) 的控制方案钉 在标准调速区，转矩要求r 不大于电机额定转矩巧，此时永 辽宁工程技术大学硕士学位论文一2 1 一 磁磁通即可提供足够的转矩。控制方案为常用的调压调速，即直 接由速度调节器输出的转矩给定得到电枢电流给定，与反馈值比 较后，经电流调节器得到电枢电压给定。 3 3 增磁调速区( a b j h ) 的控制方案 在增磁调速区，转速小于额定转速h ，转矩要求r 大于巧， 即定子电枢电流达到“后的情况，此时励磁磁通必须参与工作。 由2 - 8 式可知电机转矩与磁通和电枢电流均有关，为了便于控 制，实际可采用固定一个变量只调节另一个量的方法。因此增磁 调速区可以采用两种控制方案：一种是保持励磁电流为其额定值 不变，调节电枢电流。这种方案励磁铜耗为其最大值，且铁耗也 较大，电枢铜耗较小。另一种是保持电枢电流为其额定值不变， 调节励磁电流。这种方案则电枢铜耗为其最大值，铁耗及励磁铜 耗较小。考虑到与标准调速区控制的衔接，增磁调速区控制方式 选择后者，这样整个低速区既是连续的而且是分段单变量控制。 至于损耗大小的问题可在电机设计中针对这种控制方式进行适当 的优化。 当电枢电流为凡不变时，励磁电流给定i i 与转矩要求r 的关 系式： i f2 晓血。憾，( 3 - i ) 可见，电磁转矩r 与励磁电流，成线性关系。 在该区调节励磁电流时。要保证定子电枢电流保持额定不变， 电枢电压必须跟随变化，然而电枢电压最大只能是电机额定电压 ，此时有： u = 2 r l j + 2 置。( o y + k ，。加 ( 3 - 2 ) 与( 2 9 ) 式联立可求得由电枢电压确定的励磁电流最大值，一： k 吨e i ) k i ( 3 - 3 ) 励磁电流的限幅由其额定电流及电枢电压共同决定。这种控制方 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一2 2 一 法的机械特性曲线族和负载机械特性如图3 2 所示。 图3 2 增强磁通调速 a ) l f b ) 图3 3 低速区转矩调节器 a ) 电枢电流b ) 励磁电流 综合以上分析，低速区转矩给定与电流给定之间的函数关系 如图3 3 所示。a ) 为转矩给定与电枢电流给定之间的输入输出曲 线，输出限幅为电枢电流的额定值，即转矩超过额定转矩后，电 枢电流保持额定值不变。b ) 为矩给定与励磁电流给定之间的输入 输出曲线，转矩给定小于额定转矩时于额定转矩时，励磁电流给 定与( r n ) 成正比，实现了式( 3 1 ) 的控制要求，其输出限幅值 j ，一的表达式如下： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一2 3 一 图3 2 中a - 即输出电枢电流为最大值，。的情况，曲线a b 为输 出电枢电流是( 3 4 ) 式中第二种情况的曲线。 3 4 弱磁调速区( b c d e ) 的控制方案 在弱磁调速区，电枢电压为恒定的最大值u 。因此此时电机 转速与磁通中成反比，即当磁通减小时转速升高。弱磁调速的机 械特性曲线族及负载机械特性如图3 - 4 所示。图中画出了三条励磁 电流为不同值时的工作曲线，负载转矩与之的交点就是电机的工 作点。 图3 - 4 减弱磁通调速图3 5 高速区转矩调节器 由电机电压平衡方程( 2 - 1 ) 式看到，电枢电压不变，磁通中减 小，则电枢电流会增大，而电枢电流不能无限度的增大，图3 1 中曲线b c 即励磁电流为其饱和值时的曲线。当电枢电流达到其最 大允许值时，不再减小磁通中了，即励磁电流的限幅由电枢电流 确定。图3 5 为高速区的转矩给定与励磁电流给定之间的函数关 系，其输出限幅值，。：的表达式如下： j ，一2 = o ，( 詈一i ) k f , ( 刀 ) ( 3 - 5 ) 综合以上分析，本系统的控制实现方式是：将电机运行区域划分为 高速弱磁区，低速标准区和低速增磁区，不同的区域给出其相应 ；：；| 吩 哪 巧 江。州 一翌疗 吖 辽宁工程技术大学硕士学位论文一2 4 一 的控制方式。系统控制原理如图3 6 所示，采用电流、速度双闭环 系统。速度反馈与给定比较后，经速度调节器得到转矩给定，由 高、低速判别后选择不同的转矩调节器：高速时转矩给定经调节器 后输出的是励磁电流给定值，用于高速弱磁控制的给定；低速时 转矩给定经一级调节器后输出电枢电流给定，当电枢电流达到饱 和后，由二级调节器调节输出励磁电流给定，用于增磁提高电机 转矩。 图3 - 6 系统控制原理 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一2 5 4 控制系统硬件设计 4 1 电动汽车电机控制系统硬件整体结构 电机驱动系统是电动汽车的心脏，它的任务是在驾驶员的控 制下，高效的将蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮上 的动能反馈到蓄电池中。电机控制系统是指电动汽车驱动系统的 电气部分，其硬件结构框图如图4 1 ，主要包括d s p 、逆变器及 其驱动电路、电流采样电路、位置信号采集电路、功率驱动保护 电路、开关量输入输出电路、c a n 通信模块、r s 4 8 5 通信模块、 数据程序存储芯片等部分。下面分别对各部分进行介绍。 图4 1 电机控制系统硬件结构框图 4 2电机控制系统核心控制芯片 4 2 1 d s p 概述 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一2 6 一 数字信号处理是从2 0 世纪6 0 年代发展起来的。当时，主要 采用计算机模拟的方法研究数字滤波问题。7 0 年代，由于大规模 集成电路( l s i ) 的发展，才使得用硬件实现数字滤波器成为可能， 并开始研究如何充分发挥软件的通用性和灵活性，将微处理器应 用于数字信号处理，由于通用微处理器速度不高，在许多场合都 难以实现实时处理。数字信号处理器的开发就是在这种设想的基 础上发展起来的。到了8 0 年代，随着超大规模集成电路( v l s i ) 的应用和微处理器技术的迅猛发展，单片通用数字信号处理器和 各种单片专用数字信号处理器如雨后春笋般涌现出来。近些年来， 除了不断提高数字信号处理器的速度和功能外，又出现了许多工 作频率达2 0 m 以上的专用辅助芯片和积木式部件，从而使数字信 号处理技术进入视频实时处理阶段，用户可以根据自己的要求灵 活选用器件构成各种专用的实时信号处理系统。 d s p 有两种译法，除上面的数字信号处理( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s ) 外，也可作数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c es s o r ) 的英文缩写，在本文中一般都指后者。数字信号处理器( d s p ) 是伴 随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术等学科的发展而 产生的，是体现这三个学科综合科研成果的新兴器件。以d s p 作 为灵活的加速部件解决密集的算术运算问题已经在电传、语音识 别、图象处理、仪器仪表、通信等方面得到了广泛的应用。目前 d s p 的应用己由上述领域发展到机电控制领域。采用d s p 来设计 计算机控制系统代替微处理器及微控制器，可使数值运算获得更 精确的控制值和更快的系统响应速度。d s p 软件有可能增加控制 系统实时检测与诊断功能。此外，d s p 高速和强大的运算能力， 可使系统采样频率的提高不再有障碍，这无疑又提高使用某些数 字控制的系统的性能。d s p 在控制领域中一个主要应用为高