电动汽车电机驱动控制策略研究

1、本科毕业设计（论文）GRADUATION DESIGN(THESIS)论文题目：电动汽车电机驱动控制策略研究 本科生姓名：关海波关海波 学号：201211318201211318指导教师姓名：赵峰赵峰 职称： 申请学位类别： 工学学士 专业：电力工程与管理 设计(论文)提交日期：（小四号楷体加黑）（小四号楷体加黑）答辩日期：（小四号楷体加黑）（小四号楷体加黑）本科毕业设计本科毕业设计(论文论文)电动汽车电机驱动控制策略研究电动汽车电机驱动控制策略研究Investigation on control strategy of motor drive for electric vehicle 姓 名

2、： 关海波 学 号： 201211318 学 院： 新能源与动力工程学院 专 业 班 级： 电力工程与管理 1201 班 指 导 教 师： 赵峰 完 成 日 期： 兰 州 交 通 大 学Lanzhou Jiaotong University兰州交通大学本科毕业设计（论文）摘 要本论文首先介绍了异步电动机的数学模型，通过坐标变换，得到了异步电动机的空间矢量等效电路。并由理想逆变器的 8 种开关状态入手，得到了理想逆变器的数学模型，建立了空间电压矢量的定义。并在此基础上对定子磁链和电磁转矩与空间电压矢量之间的关系进行了分析，阐述了六边形磁链轨迹和近似圆形磁链轨迹异步电动机直接转矩控制系统的结构和工

3、作原理。根据异步电动机直接转矩控制的工作原理，本论文在 MATLAB/Simulink 的平台下，分别搭建了六边形磁链轨迹和圆形磁链轨迹直接转矩控制系统模型。并对仿真结果进行了相应的分析，验证了异步电动机直接转矩控制策略的可行性。而且，对两种磁链轨迹直接转矩控制系统的优缺点及应用范围进行了比较。本论文以电动汽车的电机驱动部分为研究对象，对于异步电动机的直接转矩控制技术进行了较为深入的理论研究，在电动汽车及其他相关领域的应用具有一定的参考价值。关键词：电动汽车；电机驱动；直接转矩控制关键词：电动汽车；电机驱动；直接转矩控制兰州交通大学本科毕业设计（论文）AbstractThis thesis s

4、tarts with the mathematic model of the induction motor, and gets the space vector equivalent circuit by coordinate transform. The mathematic model of the inverter and the concept of the voltage space vector are gotten from the eight switched states of the inverter. Then, this thesis describes the st

5、ructure and the principle of the DTC system both in hexagon flux track and in round flux track for induction motor based on the analysis of the relations between stator flux and electrical torque with voltage space vector.The DTC system models in hexagon flux track and in round flux track are built

6、on the platform of MTATLAB/Simulink separated upon the principle of DTC. The feasibility of the strategy of the DTC for induction motor is testified by the simulation, and the performances of the two kinds of DTC system are compared also.This thesis makes a further theory research, and makes a softw

7、are and hardware design on DTC system for induction motor, which takes the motor drive of electric vehicle as the researching object. This research is valuable for the application of the DTC for induction motor in electric vehicle and other relevant fields. Key Words：Electric vehicle，Motor drive，Dir

8、ect torque control兰州交通大学本科毕业设计（论文）目 录摘 要 .- 1 -ABSTRACT .- 2 -1 绪论 .- 1 -1.1 国内外电动汽车的发展及现状 .- 1 -2 电动汽车电机驱动系统分析 .- 1 -2.1 电动汽车驱动电机的特殊要求 .- 1 -2.2 电动汽车电机驱动系统的分类与选择 .- 2 -2.2.1 直流电机驱动系统.- 2 -2.2.2 交流感应电机驱动系统 .- 2 -2.2.3 永磁无刷电动机驱动系统 .- 2 -2.2.4 开关磁阻电机驱动系统.- 3 -2.2.5 电动汽车电机驱动系统的选择 .- 3 -2.3 交流感应电机的控制方法.

9、- 4 -2.3.1 变压变频控制 .- 4 -2.3.2 矢量控制 .- 4 -2.3.3 直接转矩控制 .- 5 -2.3.3 交流感应电机控制方法的选择 .- 5 -3 直接转矩控制系统的基本原理 .- 5 -3.1 异步电机数学模型和空间矢量等效电路.- 5 -3.1.1 异步电机的数学模型 .- 5 -3.1.2 异步电机空间矢量等效电路 .- 7 -3.2 理想逆变器的数学模型.- 8 -3.3 异步电机定子磁链和电磁转矩与空间电压矢量的关系.- 9 -3.4 直接转矩控制系统的基本组成.- 9 -3.4.1 六边形磁链直接转矩控制的原理 .- 9 -3.4.2 近似圆形磁链直接转

10、矩控制的基本原理 .- 12 -4 基于 MATLAB/SIMULINK 的直接转矩控制系统仿真 .- 16 -4.1 六边形磁链的直接转矩控制系统建模与仿真.- 16 -兰州交通大学本科毕业设计（论文）4.1.1 主要子模块建模 .- 16 -4.1.2 六边形磁链直接转矩控制系统的系统仿真 .- 17 -4.2 近似圆形磁链直接转矩控制系统的建模与仿真.- 20 -4.2.1 主要子模块的建模 .- 20 -4.2.2 近似圆形磁链直接转矩控制原理的仿真 .- 21 -4.3 两种控制方法的比较分析.- 23 -结 论 .- 25 -致 谢 .- 26 -参考文献 .- 27 -附录 A

11、六边形磁链直接转矩控制系统仿真图.- 28 -兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 1 -1 绪论随着经济的快速发展，更多的燃油汽车慢慢进入了人们的日常生活。而目前世界面临的两大问题就是环境污染和能源枯竭。与此同时，由于电机驱动控制技术的飞速发展，现代工业对研制无污染、结构简单、运行成本低廉的电动汽车更加容易。电动汽车是指由车载电源为电动汽车提供行驶动力，由电动汽车的驱动电机驱动汽车行驶，符合交通法规要求的汽车，目前，电动汽车有三类，分别为混合动力电动汽车、纯电动汽车和燃料电池动力汽车1。电动汽车的大力发展，不但可以实现低排放而达到减少环境污染的效果，而且可以缓解石油资源的枯竭。因此，电动汽车的

12、研究已经成为未来汽车研究领域的重中之重。1.1 国内外电动汽车的发展及现状在国内，电动汽车从 20 世纪末开始研究。经过我国两次五年计划的的飞速发展，国内电动汽车的发展从零到有，从刚开始的研究开发阶段上升到产业化阶段。十年内，我国共有 30 个城市参与电动汽车示范推广工程，累计推广电动汽车共计 2.1 万辆，示范推广运行里程也超过 1.9 亿多千米。因此，未来五年是我国电动汽车项目发展的重要时期。在国外，尤其是以美国、日本、欧洲为代表的众多发达国家的科研机构、电力公司、车辆公司很早就推出了电动汽车的概念车，并且一些比较先进的电动汽车研发企业已经进入生产阶段。例如，通用汽车公司开发的 E1 型电

13、动汽车，克莱斯勒公司重点研究和设计的电动汽车；近几年日本本田公司研发的电动轿车，德国宝马公司开发的El 电动旅行车等。2 电动汽车电机驱动系统分析电动汽车由三个子系统构成，分别为能源子系统、电机驱动子系统以及辅助控制系统2。电动汽车电动机驱动系统所需要的电能由车载蓄电池提供，并将车载蓄电池输出的电能转化为电动汽车所需要的机械能，而驱动电机的输出轴便连接至该电动汽车的驱动系统，经过驱动系统基本结构的传动装置，由传动装置产生的驱动力驱动电动汽车正常行驶。2.1 电动汽车驱动电机的特殊要求电动汽车的驱动系统，有一些特殊要求，如下所述：兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 2 -(1) 电动汽车电机基速

14、以下输出的转矩较大，所以，为了使驱动电机在启动、加速、负荷爬坡、起停等条件下都能正常工作，驱动电机需要 3 倍左右的过载。(2) 电动汽车电机达到规定速度以上时，要求以恒功率状态运行，是为了在高速运行条件下，电动汽车能够正常行驶。(3) 驱动电机必须具有很高的动态特性、稳定精度以及非常好的可靠性；(4) 电气系统失效保障措施完善；(5) 电动汽车电机驱动系统设备要物美价廉。2.2 电动汽车电机驱动系统的分类与选择电动汽车电机驱动系统按照电机类型不同可分为：交流感应电机驱动系统、直流电机驱动系统、开关阻尼电机驱动系统以及永磁无刷电机驱动系统。2.2.1 直流电机驱动系统直流电机驱动系统使用的驱动

15、电机为直流电机。而直流电机驱动系统所使用的变流器是斩波器，变流器的作用是将额定电压转换为可调电压；直流电机驱动系统所采用的调速方法有调压调速与调磁调速。直流电动机根据有无励磁绕组可以分为励磁绕组式和永磁式。前者有励磁绕组且磁场可由直流电流控制，而后者没有励磁绕组且永磁体的磁场是不可控制的。由于技术成熟，控制简单，它们在许多驱动系统研发中都有非常广泛的应用。2.2.2 交流感应电机驱动系统逆变器和控制器组成了交流感应电机驱动系统中的驱动控制器。驱动系统中的逆变器作用是将蓄电池中的直流电转换成交流电动机运行所需的交流电。电动机的输入电压、电流、转速、频率、波形、磁通、转矩、开关方式、导通角和关断角

16、等都要通过控制器进行控制，才能达到从电能到机械能转换的目的，还要让控制器对交流感应电机的转矩控制效果达到最优。因此，交流感应电机及其驱动控制器要求逆变器和控制器能够同时作用、整体设计，使逆变器和控制器能够完美配合，并且能够达到一体化和集成化的整体，这样就可以大大提升交流电机的潜力，使交流感应电机更好的应用于电动汽车领域。交流感应电动机需要使用逆变器将直流电变为交流电。车载蓄电池存储的电能为直流电，而交流感应电机需要的是交流电驱动，所以必须使用逆变器对蓄电池输出的直流电处理，通过逆变器将直流电转换为交流电。2.2.3 永磁无刷电动机驱动系统永磁驱动电动机可以分为很多类型，根据永磁驱动电动机的输入

17、信号波形，可分兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 3 -为两种，永磁直流和永磁交流电动机。由于永磁交流驱动电动机并没有装配电刷、换向器和滑环等器件，也可将永磁交流驱动电机称为永磁无刷驱动电动机。若是按照永磁驱动电机输入信号进行分类，永磁无刷电机可分为两种，分别是永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机。永磁同步电动机需要输入的信号波形是交流正弦波，并且是采用了连续转子位置反馈信号进行换向控制；而对于另外一种永磁驱动电机而言，其输入的是交流方波，而这两者进行换向控制所采用的信号是一样的。因为方波与正弦波相比，其磁场和电流之间产生的转矩要远大于正弦波，所以，就功率密度而言，直流电机要比同步电机大。 2.

18、2.4 开关磁阻电机驱动系统开关磁阻电机驱动系统由电机、转子位置传感器和控制器构成，所用的电机为开关磁阻电机。开关磁阻电动机是双凸结构。双凸结构十分牢固，比较适合高速旋转的状况，并且不用维护，其费用也低，所以很受工业重视。开关磁阻电动机基本结构包含位置传感器，因此即使让电机一直大转矩工作，也不会产生丢步，这是开关磁阻电机最大的优点。而它的缺点就是电机是双凸结构，就会导致转矩脉动引起的振动以及噪声太大。2.2.5 电动汽车电机驱动系统的选择通过以上的分析，对以上阐述的四种主要电机驱动系统进行优缺点对比，详细说明见表 2.1 所示。表 2.1 电动汽车电机优缺点比较电机类型优点缺点直流电机结构简单

19、，转矩控制特性优良。存在电刷、容易出现电火花、维护不容易、价格昂贵。交流感应电动机价格便宜、维护简单、体积较小。控制装置较复杂。永磁无刷电动机控制器较简单、效率高、能量密度大。价格较贵。开关磁阻电动机简单可靠、可调范围宽、效率高、控制灵活、成本低。转矩波动很大、噪声较大。由上表可知，直流电动机存在电刷，维护困难，很难适应进一步发展的需要；而永磁同步电动机在价格以及研究技术上，依然不符合电动汽车电机驱动系统的最终要求。而交流感应电动机具有很多优点，所需成本很低，可靠性非常好，调速范围比较兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 4 -宽，研究时间较长，使用经验较足，而且交流感应电动机的制造技术很可观，

20、况且其转矩波动小，引起的震动小，产生的噪声也小，也不需要相应的转子位置传感器，因此，交流感应电机依然作为电动汽车电机驱动系统的不二之选。因此，在本论文中，用交流感应电机驱动系统作为电动汽车电机驱动系统最终的研究对象。2.3 交流感应电机的控制方法由于交流感应电机的直轴和交轴具有磁耦合现象，使得感应电机动态模型不良的高度非线性，从而导致感应电动机在控制方面较直流电动机更复杂。此文列举三种交流感应电机的控制方法，具体如下所述。2.3.1 变压变频控制变压变频控制技术指的是当频率低于基频范围时，需要运用恒压恒频方法进行控制，当频率位于基频以上时，利用变频恒压方法控制。在频率很低时，定子阻抗下降，通过

21、提高电压来补偿电源电压与感应电动势之间的压降。交流感应电动机的驱动特性如下图 2.1 所示，可分为三段，第一段在电动机频率低于基频时，产生额定转矩，称为恒转矩区；在第二段，定子电压保持恒定时滑差增加到极值，电动机的功率将一直保持为固定功率。在高速区，滑差维持常数，而定子电流衰减，转矩以速度的平方减少。恒转矩恒功率高速转矩定子电流定子电压滑差转速基速图 2.1 感应电动机的特性曲线2.3.2 矢量控制矢量控制的基本原理：首先，需要对电机的定子电流矢量进行测量，必要时进行控制，然后按照磁场定向原理控制异步电机的转矩电流，最后达到控制电机转矩的效果。详细流程是先将测得的异步电机的定子电流矢量分为两种

22、电流分量，一种产生磁兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 5 -场，另一种分量产生转矩，接着控制这以上电流分量，与此同时，控制两种电流分量之间的幅值以及相位，因此把这种控制方法叫做矢量控制技术3。2.3.3 直接转矩控制直接转矩控制原理：利用空间矢量的分析方法和定子磁场定向的分析方法，可以在相应的定子坐标系下分析并搭建异步电机数学模型，计算异步电动机的磁链和转矩并进行相应的控制4。采用的调节器为离线型两点式调节器，将检测到的转矩值和已知给定的转矩值比较，使转矩波动不要超出一定的容差范围。2.3.3 交流感应电机控制方法的选择通过以上分析，可知直接转矩控制采用离散的电压空间矢量。因此可以把它观测出

23、来，在知道定子电阻的情况下。在矢量控制技术中，由于参数变化会影响控制性能，但直接转矩控制会降低了这种不良影响。直接转矩控制技术的重点是转矩的直接控制。既直接又简单。因此，本论文将直接转矩控制技术作为电机驱动系统中感应电机的最佳控制方法进行深入研究。3 直接转矩控制系统的基本原理直接转矩控制是通过分析空间电压矢量的方式，可以在定子坐标系下计算并且控制交流电机的转矩，采用定子磁场定向的分析方法，通过离散的两点式调节器产生脉宽调制信号，对逆变器的开关情况直接进行控制，以获得高动态性能转矩，这样在一定程度上便解决了矢量控制中存在的问题5。3.1 异步电机数学模型和空间矢量等效电路3.1.1 异步电机的

24、数学模型当下列条件存在时，可以搭建异步电机的数学模型：(1) 气隙均匀；(2) 磁路线性；(3) 定子和转子的绕组对称分布，并且有效导体部分沿均匀的气隙空间作正弦分布；(4) 忽略磁场谐波的影响不计。三相异步电动机的数学模型有下列四个方程组成，分别为电压方程、磁链方程、转矩方程以及运动方程。（1） 电压方程 兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 6 -cbaCBAcbaCBAsssssscbaCBApiiiiiiR000000R000000R000000R000000R000000Ruuuuuu (3.1)其中：Au，Bu，Cu，au，bu，cu 转子定子之间相电压的瞬时值；Ai ， Bi ，C

25、i ， ai，bi， ci 转子定子之间相电流的瞬时值；A，B，C，a，b，c 转子定子绕组的全磁链；（2） 磁链方程cbaCBAccbcacCcBcAbcbbabCbBbAacabaaCaBaACccbCaCCBCABcBbBaBCBBAAcAbAaACABAcbaCBAiiiiiiLMMMMMMLMMMMMMLMMMMMMLMMMMMMLMMMMMML (3.2)式中：AL、BL 、CL 、aL、bL定、转子之间的自感；其它元素表示互感。（3）转矩方程电磁转矩可由能量守恒定律导出。按照能量转换的基本原理，当电机为多项绕组电机时，其中磁场的储能为Tmi21W (3.3)式中：。TcbaBBA

26、TcbaBBAiiiiiiii按照能量守恒的基本原理，当异步电机运行的时候，异步电机的电磁力矩eT等于电流不变时磁场储能对角位移m的偏导。即cirmncimmeWpWT| (3.4)式中：np磁极对数；r为电角位移，mnrp。兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 7 - )()()()()(120siniiiiii 120siniiiiii siniiiiiiMp iMiiMip21TrbCaBcAraCcBbArcCbBaAsrnrrsrTssrrsTrne （3.5）式中：srM定转子之间的互感。（4）运动方程rnr2nLrn2r2nLepDdtdpJT dtdpDdtdpJTT （3.6）

27、式中：LT负载阻力矩； J机组的转动惯量； D转矩阻尼系数。 3.1.2 异步电机空间矢量等效电路在直接转矩控制系统中，所采用的参考坐标系是放在定子绕组上的，一般采用的是坐标系，图 3.1 为异步电机的空间矢量等效电路图。sRLrRLsiriisurjr图3.1 异步电动机空间矢量等效电路各量的含义如下：)(tus定子电压空间矢量；)(tis定子电流空间矢量；)(tir转子电流空间矢量；)(t定子磁链空间矢量； )(tr转子磁链空间矢量；兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 8 -电角速度。ABC)t (x)t ( x)t (x图3.2 空间矢量分量的定义并且旋转空间矢量在轴上的投影称为分量，如

28、图 3.2 所示，而在正交的轴上的投影便称为分量。3.2 理想逆变器的数学模型电压型逆变器如图 3.3 所示，由六个开关aS、aS 、bS、bS、cS、 cS 组成。aS和aS 、bS和bS、cS和 cS 每组之间互为反向，所以当一个接通时，则另一个处于断开状态。aS、bS和cS为三个互相独立的变量，按照相关规定，则六个开关的导通状态均用1 表示，关断状态均用 0 表示。0+UdsasasbscsbsbabcEE-图3.3 电压型理想逆变器以 a 相为例，理想逆变器的输出电压和开关状态存在公式 3.7 的对应关系： ),),1S( 0 SE0S( 1 SEuabaaa0 （3.7）三个开关变量

29、aS、bS、cS共有八种组合，这些组合是 (000)，(001)，(111)，(011)，(101)，(100)，(110)，(010)。在这 8 种组合中，并非全部有效，其中在组合(000)和(111)状兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 9 -态时，理想逆变器输出电压为零，因此将其称为无效组合。其它六种组合为有效组合。逆变器的开关状态编号见表 3.1。表3.1 逆变器的开关状态逆变器状态编号工作状态零状态12345678（aS、bS、cS）0010100111001011100001113.3 异步电机定子磁链和电磁转矩与空间电压矢量的关系磁链空间矢量与电压空间矢量之间存在的关系如下图 3

30、.4 所示。图中，)(t的运动轨迹与电压空间矢量)(tus位置为平行关系，并且运动方向和电压空间矢量的作用方向相互对应。所以只要定子电阻的压降)(tis比)(tus足够小，则这种平行关系也就可以近似。由此可见，在必要的时刻依次给出定子电压空间矢量 S1 至 S6，可以得到定子磁量依次沿着图中的 S1-S2-S3-S4-S5-S6 的次序运动，形成了一个正六边形磁链。但是若定子电压为零矢量，那么磁链的增量为也就零，而这个作用是使磁链矢量得顶点停在原来的空间位置不动。)001(u)100(u)101(u)011(u)010(u)110(uS6S5S3S1S2S4)(t111000图3.4 空间电压

31、矢量和磁链空间矢量之间的关系3.4 直接转矩控制系统的基本组成二十世纪八十年代，国际上出现了直接转矩控制技术，当时有两种最为典型的控制方案，分别为六边形磁链直接转矩控制方案和近似圆形磁链直接转矩控制方案。兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 10 -3.4.1 六边形磁链直接转矩控制的原理如图 3.5 所示，为六边形磁链直接转矩控制系统结构图。由此图可知，定子电压与电流经过相应的坐标变换后，计算出定子磁链，然后分解得到分量和分量，再进行两相静止三相静止坐标系变换，将磁链的计算值与给定值进行比较，可以得出相应的开关量，而转矩滞环调节的输出值决定是否插入了零矢量，从而能够确定出正确的电压状态信号，更

32、好的控制逆变器的输出电压，最后产生六边形磁链6。（1）六边形磁链的生成与电压空间矢量的选择如果要形成六边形磁链，需要对六边形磁链进行分析，并且还要对电压矢量对磁链的作用研究。所以需要对六边形磁链轨迹的定子旋转磁链空间矢量在坐标系a、b 以及c 轴上的投影进行观察，由此便可以得到三个梯形波，它们之间的相位相差120。它们分别被称为定子磁链的a、b和c分量。M23aubucuUI23DMCggggggAZS1i+_+_sRsR23aibiciiiuumm+_SeeabcaSbScSa b cfTgTUCTAMMAMCATR2EaSUcSUbSU图3.5 六边形磁链直接转矩控制原理的基本结构兰州交通

33、大学本科毕业设计（论文）- 11 -Us(100)Us(110)Us(010)Us(011)Us(001)Us(101)abcs1s2s3s4s5s6图3.6 六边形磁链及坐标系a、b、c轴从图 3.6 可看出-坐标系与三相坐标系存在如式 3.8 的关系。图 3.7 是三个异步电机磁链分量对应的时序图。 21232123cba （3.8）s1s2s3s4s5s6011001101100110010011001ggasbscsasubsucsuasubsucsubacdabc区段图3.7 磁链开关信号与电压空间矢量的选择兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 12 -a异步电机定子磁链的分量 b异步

34、电机磁链的开关信号c电压开关信号 d电压状态信号图 3.7 中的每个区间 s1s6 分别向a、b、c三个坐标轴投影，可以得出该区间内的三个磁链分量，波形如图 3.10a，采用三个施密特触发器（见图 3.5） ，施密特触发器的容差是g，将三个磁链分量和磁链的给定值一一比较，得到相对应的磁链开关信号，如图 3.7b 区域所示。电磁开关信号as、bs和cs构成与之相对应的电压开关信号asu 、bsu 和csu 。其关系是：as=csu bs=asu （3.9）cs=bsu电压开关信号asu 、bsu 、csu 反相便直接得到电压状态信号asu 、bsu 、csu ，见图3.7d。要是没有力矩超出电压

35、开关信号，则逆变器的各相开关状态按公式 3.9 所示；若是有力矩超出电压开关信号，则按照公式 3.9 状态给出开关变化最少所对应的零电压信号。这样便可以很好地控制产生的六边形磁链。（2）转矩滞环调节对于直接转矩控制系统而言，如果需要达到较高的动态性能，就要对电机的电磁转矩进行最直接控制。实现对转矩的调节与控制使用转矩调节器即可完成。转矩调节器的输入信号是转矩给定值gT和反馈值fT比较所得的信号差T，开关信号 TQ 作为转矩调解器对应的输出信号，转矩两点式调节器的容差为m，运用离散的两点式调节方法，把转矩的波动可以限制在已知所给定值的容差范围之内。当转矩波动处于给定值的容差范围之内时，开关信号

36、TQ=1，则会输出相对应的空间电压矢量，可以使定子磁链旋转，同时转矩也将上升。当实际测得的电机输出转矩和给定转矩之差大于允许偏差时，开关信号 TQ=0，此时输出的空间电压矢量为零，定子磁链不会正常运行，而是停止不工作，此时的转矩下降。3.4.2 近似圆形磁链直接转矩控制的基本原理兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 13 -逆变器2EM磁链位置磁链、转矩计算转矩滞环比较器查规则表磁链滞环比较器sisuss_+gf_gTfTTQQNScbaS S S图3.8 近似圆形磁链直接转矩基本控制结构123456*u6(100)u2(010)u3(011)u1(001)u5(101)u6(110)图3.9

37、磁链的圆形区域划分与近似的圆形轨迹假如三相异步电机的输入信号是三相对称电流，那么电机将会产生近似圆形轨迹的旋转磁链，对应的电机空间磁链的矢量轨迹为也会近似为圆形。反之，根据第三章叙述的电压矢量对磁链矢量的影响，会使电机的磁链矢量绕六个电压矢量的方向走折线并且会逼近圆形轨迹，如图 3.9 所示；如此看来，变频器的各相电流也就可以近似看作是正弦电流。近似圆形磁链的直接转矩控制结构如上图 3.8 所示。（1）磁链的分区与滞环调节假如要使定子磁链的运动轨迹达到近似为圆形轨迹的效果，应该第一时间确定出定子磁链的幅值范围s，利用定子磁链的幅值范围可得到两个实线的同心圆，而对磁链控制的目的就是使定子磁链的轨

38、迹在两个实线同心圆共同确定的范围之内，见兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 14 -图 3.9。将定子磁链的轨迹划分为六个区间，用 Sm表示，其中 m=1，2，3，4，5，6，如表 3.2 所示，区域不同，则采用的定子电压向量不同。当定子磁链以正向旋转且处于表中 S1 区间时，采用 u6(110)和 u2(010) 这两种电压矢量来控制定子磁链的幅值。采用以上两种电压矢量进行控制的优点是上述两个电压向量中只有一位开关量与其他两位开关量不相同，因此在切换时只需要改变其中不同的一位开关量的状态，这样做比较简单，也降低了逆变器的开关频率，而且也会让定子磁链的轨迹近似圆形运动。当定子磁链处于其他区时，

39、电压矢量的选取方式类似7。表3.2 磁链位置判断规则要想对定子磁链进行以上控制，首先需要计算出定子磁链的幅值，接着利用滞环控制器将磁链给定值与计算得出值相互对比，再根据对比结果控制电压向量的切换，其结构如图 3.9 所示。将定子磁链幅值计算值s与定子磁链幅值给定值*s对比，并将得到的比较结果)(*ss，送入滞环控制器，当时，滞环控制器输出 Q=0，而当再次到达阀值，且时，控制器保持不变，输出值Q仍为“0” ，只有当到达时，控制器输出 Q=1。 Q的取值确定之后，按照磁链所在的区间不同，选择所对应的电压向量相互切换8。01*s+-QQss图3.10 定子磁链的滞环调节器（2）转矩滞环调节与电压开

40、关矢量选择表的建立兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 15 -m2T+-TTQT01mm-1TQT图3.11 转矩滞环调节器此处的转矩滞环调节器采用双滞环调节器，双滞环调节器的输入值为T，输出为图中的 TQ，转矩滞环调节器的工作原理如上图 3.11，设置滞环宽度为m，而 TQ 由T判断，当mT时， TQ=-1，当mT时，TQ=1，当T=0 时，TQ=0。根据以上判断便可列出直接转矩控制系统的开关状态，如表 3.3。表3.3 异步电动机直接转矩控制结构的开关变换状态转 向扇区Q TQ扇区 1扇区 2扇区 3扇区 4扇区 5扇区 61TQ)101(5u)010(4u)110(6u)010(2u)1

41、10(3u)001(1u0TQ)111(7u)000(0u)111(7u)000(0u)111(7u)000(0u1Q1TQ)110(6u)010(2u)110(3u)001(1u)101(5u)010(4u1TQ)001(1u)101(5u)010(4u)110(6u)010(2u)110(3u0TQ)000(0u)111(7u)000(0u)111(7u)000(0u)111(7u逆向（R=1顺时针）0Q1TQ)010(2u)110(3u)001(1u)101(5u)010(4u)110(6u1TQ)110(6u)010(2u)110(3u)001(1u)101(5u)010(4u0TQ)

42、111(7u)000(0u)111(7u)000(0u)111(7u)000(0u1Q1TQ)101(5u)010(4u)110(6u)010(2u)110(3u)001(1u1TQ)010(2u)110(3u)001(1u)101(5u)010(4u)110(6u0TQ)000(0u)111(7u)000(0u)111(7u)000(0u)111(7u正向（R=0逆时针）0Q1TQ)001(1u)101(5u)010(4u)110(6u)010(2u)110(3u兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 16 -4 基于 MATLAB/SIMULINK 的直接转矩控制系统仿真MATLAB 具有很强

43、的矩阵运算和绘图能力，仿真环境简单，已较为广泛的被工业领域所应用。在以下的仿真试验中，我们重点使用的是 MATLAB/Simulink 平台下的基本模块，并且运用基础模块搭建了仿真所需的自定义模块，同时用到了 SimPowerSystems 子模块，来进行六边形与近似圆形磁链直接转矩控制系统的建模以及仿真。4.1 六边形磁链的直接转矩控制系统建模与仿真4.1.1 主要子模块建模（1）3/2 变换模块2beat1alfSubtract1SubtractProduct3Product2Product1ProductsqrtMathFunction3sqrtMathFunction2sqrtMath

44、Function1sqrtMathFunction0.5Gain10.5Gain2/3Constant43/4Constant33/4Constant20Constant12/3Constant1abc图 4.1 3/2 变换模块3/2 转换矩阵如公式 4.1。并由此，完成了 3/2 模型的搭建，如图 4.1 所示。 CBAiii 2323021211 ii32 （4.1）（2）定子磁链计算模块定子磁链模块采用 u-i 模型。利用定子的磁链计算公式dtRtitussss)()(，可搭建模型，如图 4.2。兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 17 -2mag_s_beat1mag_s_alfSu

45、btract1Subtract-C-RsProduct1Product1sIntegrator11sIntegrator4i_s_beat3i_s_alf2u_s_beat1u_s_alf图 4.2 定子磁链计算子模块（3）理想逆变器模型的建立根据第三章搭建的逆变器数学模型，可以建立理想逆变器的子模块，如图 4.3 所示。1UabcProduct2Product1MatrixMultiplyProduct100Ed1/3Constant73x3Constant31Sabc图 4.3 理想逆变器模型4.1.2 六边形磁链直接转矩控制系统的系统仿真MATLAB/Simulink 中搭建的六边形磁链

46、直接转矩控制系统的仿真模型参见附录A。系统参数设置如下：电动机类型选择鼠笼式异步电动机，额定功率参数设定为7.5kW，额定转速参数设定为为 1440r/min，额定频率参数设置为 50HZ；逆变器直流电源 E 取 100V。转矩容差设为 0.5Nm。设定转矩为 10Nm。仿真时间设置为 0.25s。仿真结果如下：兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 18 -00.050.10.150.20.25-20-1001020304050时 时 时 s时时 时 时 A时 图 4.4 a 相电流-0.8 -0.6 -0.4 -0.200.20.40.60.8-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.

47、60.8)(Wbs。 。)(Wbs。 。图 4.5 定子磁链轨迹兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 19 -电压（V）时间（s）00.050.10.150.20.25-80-60-40-20020406080 图 4.6 定子 a 相电压时间（s）电磁转矩Te (N m）00.050.10.150.20.25024681012图 4.7 电磁转矩兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 20 -00.050.10.150.20.25-1000100200300400500600时 时 时 s时时 时 时 r/min时图 4.8 电机转速可见，在电机转速很低时，计算误差较大，造成磁链轨迹畸变得比较厉害

48、。随着转速的提升，会使磁链的畸变逐渐减小，慢慢形成正六边形运行轨迹。电机定子 a 相电流在启动时较大，随着转速的逐渐上升，电流也逐步接近正弦。当电磁转矩在 0.01s时，到达指定转矩 10Nm，实现了转矩的快速响应。4.2 近似圆形磁链直接转矩控制系统的建模与仿真4.2.1 主要子模块的建模（1）转矩双滞环控制器近似圆形磁链直接转矩控制系统中的转矩调节器，使用的控制器为双滞环控制器，如图 4.9。1TQSwitchRelay1Relay1T*-t图 4.9 转矩双滞环比较器（2）定子磁链幅值计算与扇区判断模块利用复数模块计算磁链的幅值，并利用查表模块得出定子磁链所处的扇区，如图4.10。兰州交

49、通大学本科毕业设计（论文）- 21 -2mag_s location1|mag_s|location tableReImReal-Imag toComplex|u|uComplex toMagnitude-Angle2mag_s_beat1mag_s_alf图 4.10 定子磁链幅值计算与扇区判断模块（3）电压矢量选择模块由查表模块、多路选择模块组成电压矢量选择模块，如图 4.11。1Sabc1;1;1u71;1;0u61;0;1u51;0;0u40;1;1u30;1;0u20;0;1u10;0;0u0Table 4Table 3Table 2Table 1MultiportSwitch1Mu

50、ltiportSwitchMemoryLookupTable (2-D)1ConstantAdd4Location_N3Torque_Q2Flux_Q1R_direction图 4.11 电压矢量选择模块4.2.2 近似圆形磁链直接转矩控制原理的仿真MATLAB/Simulink 平台下搭建的近似圆形磁链直接转矩控制系统仿真模型参见附录 B。系统参数设置如下：所用的电机类型为鼠笼型异步电动机：额定功率参数设定为 3.73kW，电阻sR 为 1.115；逆变器的直流电源 E 为 100V。磁链容差设为0.001Wb，转矩容差设为 1 Nm。设定转矩为 10 Nm。仿真时间设置为 0.35s。仿真

51、结果如下：兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 22 -)(Wbs。 。)(Wbs。 。-1-0.500.51-1-0.500.51图 4.12 定子磁链轨迹00.050.10.150.20.250.3-50050时 时 时 s时时 时 时 A时图 4.13 定子 a 相电流时间（s）电压（V）00.050.10.150.20.250.30.35-100-80-60-40-20020406080100 图 4.14 定子 a 相电压兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 23 -时间（s）电磁转矩Te (N m）00.10.20.30.4-20020406080100图 4.15 电磁转矩00.10

52、.20.30.4-1000100200300400时 时 时 s时时 时 时 r/min时图 4.16 电机转速在电机启动时，采用磁链优先的原则，迅速增加磁链。当磁链达到一定幅值后，按照圆形磁链控制的电压矢量选择表进行控制。由于磁链容差非常小，为 0.001Wb，因此磁链的轨迹毛刺极少，可以将其运动轨迹看作圆形轨迹。并且，当电机启动时，定子瞬时电流较大。电机电磁转矩上升较快，但在稳定前有一定的波动。在 0.2s 后，电机电磁转矩稳定在额定转矩 10Nm 附近，电机转速平稳上升。4.3 两种控制方法的比较分析由以上仿真实验可知，六边形磁链直接转矩控制系统具有如下所述的特点：(1) 六边形磁链的控

53、制方法简单，进行控制时只需要进行两种调节，通过电压空间矢量控制磁链使其能够沿着六边形轨迹运动：兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 24 -(2) 在六边形磁链控制中，每个区段只根据有效电压矢量和零电压矢量通过判断即可；(3) 功率器件的开关次数较少，因此减少了功率器件的损耗：(4) 在六边形控制方法下，电流和转矩将产生较大的脉动。近似圆形磁链直接转矩的控制系统有如下特点：(1) 相对六边形磁链控制过于繁琐，通过查事先确定的优化开关状态表确定每一时刻的最优开关状态；(2) 每个区段内都需要根据数个电压状态进行判断，实现定子磁链近似圆形旋转；(3) 在近似圆形磁链直接转矩控制系统中，由于开关的状态

54、非常复杂，便要求逆变器开关非常频繁，这样会导致元器件的损耗增大；(4) 在六边形磁链直接转矩控制系统中出现较大的电流畸变状况非常严重，而在近似圆形磁链控制中便可以利用调节滞环比较器的相关功能使这种影响程度大大降低。兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 25 -结 论从整个国际市场来看，电动汽车很受现代人们的欢迎，电机驱动部分作为电动汽车的主要研究内容，如本论文所述，通过对四种电机的比较，选取异步电动机作为本文电动汽车的驱动电机研究对象，选用直接转矩控制作为电动汽车电机驱动控制策略，对直接转矩控制技术仔细说明，并在 MATLAB/Simulink 平台下进行相应需要的建模。与此同时，对仿真实验的结果加以分析。此论文所涉及到的研究内容有以下三点：（1）通过分析并且比较多种电机及其相应的电机驱动控