电动车用异步电机启动阶段仿真

1、分类号分类号 密级密级 U U D D C C 编号编号 湖湖 北北 文文 理理 学学 院院毕毕业业设设计计（论论文文）论文（设计）题目论文（设计）题目电动汽车用异步电机启动阶段仿真研究电动汽车用异步电机启动阶段仿真研究学学 院院机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院专专业业车辆工程（新能源）车辆工程（新能源） 班班级级新能源新能源 11111111 姓姓 名名刘刘 炎炎 学学 号号 20111382302011138230 指导教师指导教师 马马 强强二二一五一五 年年五月五月0湖北文理学院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除了

2、文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“” ）学位

3、论文作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日1电动汽车用异步电机启动阶段仿真研究电动汽车用异步电机启动阶段仿真研究摘要摘要： 21 世纪，随着能源短缺，环境污染严重等问题的突出，越来越多的人关注致力于改变人类生活方式的技术改进和发明，电动汽车的开发风头正劲。电机是电动车的心脏，其控制技术的研究更是热点，本文对电动车用异步电机的工作原理和控制策略进行了介绍，建立了异步电机的的数学模型，并采用MATLAB 对异步电机的仿真，在矢量控制策略下进行启动阶段仿真研究。通过仿真来亲自验证相关控制策略的合理性和正确性。关键词：关键词：异步电机，基本工作原理，控制策略，仿真Abstract

4、Abstract：In 21century，With the energy shortage, environmental pollution and serious problems such as prominent, more and more people are concerned about the commitment to change the human way of life improvement and invention .we all know that the development of electric vehicle is quit hot. Electro

5、motor is the heart of EV. Its control technology is also a hot spot. In the paper, the electromotor working principle and control strategies are introduced. I simulate the asynchronous motor by MATLAB, And I start the simulation stage in several hot control strategy. Through the simulation, I person

6、ally verify the rationality and correctness of the control strategy. Keywords: Asynchronous motor; The basic working principle; Control strategy; simulation 2目录目录摘要摘要.3ABSTRACT.31 引言引言.62 车用异步电动机车用异步电动机.82.1 车用异步电动机概述.82.2 异步电动机的基本构造.92.2.1 定子.92.2.2 转子.92.2.3 气隙.92.3 异步电动机的基本工作原理.93 多种异步电机的驱动控制策略多种

7、异步电机的驱动控制策略.113.1 异步电机的启动 .113.2 异步电机的驱动控制策略 .113.2.1 基于稳态模型的控制策略.123.2.2 基于动态模型的传统控制策略.133.2.3 微分几何反馈线性化.163.2.4 直接反馈线性化.163.3 现代控制策略.163.3.1 滑模变结构控制.173.3.2 自适应速度控制.173.3.3 模糊控制.183.3.4 神经网络控制.184 异步电机的数学模型异步电机的数学模型.204.1 初始的三相状态下的电机模型.204.1.1 磁链方程.214.1.2 电压方程.224.1.3 转矩方程.234.1.4 运动方程.244.2 两相静止

8、坐标下的电机模型.244.2.1 磁链方程.244.2.2 电压方程.244.2.3 电磁转矩方程.254.3 同步旋转坐标系下的电机模型.254.3.1 磁链方程.254.3.2 电压方程.254.4 基于转子磁场定向的电机控制系统.2635 仿真仿真.275.1 仿真工具.275.2 基于 MATLAB/SIMULINK 的异步电机控制系统仿真模型 .275.2.1 异步电机模块.285.2.2 矢量控制系统模块.295.2.3 逆变器模块.305.2.4 考虑时间延迟的解耦.315.3 仿真结果及分析.336 总结与展望总结与展望.36参考文献参考文献.37致致 谢谢.3941 1 引言

9、引言汽车的发展给人类带来了便捷，同时也造成了很多环境问题。内燃机在汽车上的成功应用，使得石油资源大量消耗，带来温室效应，同时也加剧环境污染。人类要实现与环境友好共存和经济的可持续发展，必须着手解决交通运输的排放问题，寻求低排放甚至零排放的，能够有效利用能源的交通工具。自 20世纪 90 年代，针对愈加严重的环境污染问题，和对全球大气温室效应的日益关切，历史比内燃机汽车更久远的电动汽车再次成为研究和发展的热点。近年来，世界各国，特别是欧、美、日等发达工业国家，纷纷以巨资推动电动汽车的研发工作，电力公司也相应着手研发应用于电动汽车的基础设施。一些国家，尤其是在我国，由于雾霾 PM2.5 的环境问题

10、，更是推出了相关的政策和法律条令，一方面逐步限制或禁止重要城市的燃油汽车，另一方面鼓励企业和科研单位研发新能源汽车。电动汽车作为 21 世纪的重要交通工具，以其相对于燃油汽车的效率高、环境污染低、可使用多种能源、噪音低等优势，越来越受到重视。汽车的能源消费占到了世界能源总消费的四分之一。并且随着世界发展2中国家的经济水平的提高，汽车的保有量会急剧增加，这在亚洲地区尤其是在中国非常明显，而由此引起的能源与环境问题就显得更为严重。受石油危机的影响，很多发达国家领先进行节能技术的开发，将就业部的能源消费停留在GNP 的一般水平。然而，以汽车为主的运输部门因其急剧普及，伴随着私家车的骤增，能源的消费比

11、其他部门大，占到能源总消费的 25%。予计算由全世界汽车排除的为 65 亿标准炭吨，由引起的大气污染及地球温暖化已经对co2co2人类的生活环境产生了深刻的影响。在当今世界能源与环境双重危机下，要求提高汽车的能源使用率，减少污染物的排放已是当务之急。目前,中国国内电动汽车的研究和开发尚处于起步阶段,电动汽车的研制1流于“拼凑” 。虽然在小范围内如车站、码头、仓库等场所也使用了微型电动汽车,但公路用的电动汽车几乎尚属空白。就目前国内生产样车工作情况来看,还达不到轻型化、低噪音的要求,甚至可靠性问题都未能解决,可靠性指标不满足5将直接妨碍电动汽车的使用和普及。根据国家电动汽车的总体发展目标,中国将

12、在 2001 年左右研制具有中国特色、达到国外 20 世纪 90 年代水平的电动汽车,建立具有年产能力为 3 0005 000 辆经济专用型电动汽车生产能力的开发生产基地,组建 23 个电动汽车运行示范区。中国已成立国家电动汽车协调指导小组,以确保已被列为国家重大科技产业工程的电动汽车项目取得预期成果。发展电动汽车以及其它代用燃料汽车不但是解决当前和今后汽车工业发展方向和能源环境的重要问题,而且也是关系到中国经济可持续发展的重大问题 电动汽车是指以电能作为驱动能源，以电动机作为原动机的车辆。而电气驱动系统是电动汽车的心脏，它主要由三大部分组成：电机、电力电子和控制技术。电机又是电气驱动系统的核

13、心，必须是高性能、高效率的。此外电机的尺寸、重量也影响到汽车的整体效率，而电力电子和控制技术对汽车的安全可靠运行有着很大的影响。62 2 车用异步电动机车用异步电动机 电动汽车采用的电动机中，直流电动机基本上已经被感应电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。从日本汽车公司开发电动汽车的研究与实践中我们得知，在驱动电动汽车时，采用大功率电动机与采用小功率电动机相比，具有电阻小、效率高、比能耗低、动力性能好等优点。例如在功率为 70kw 内燃机轿车改装成用 70kw 的电动机驱动的电动汽车时，电动汽车的动力性能和最高车速都将超过内燃机汽车。 在确定电动汽车用电机时，电动汽车用电动机的性能必须充分

14、满足电动汽车不同的行驶工况要求，要有较大的启动转矩来保证电动汽车有良好的启动、3加速性能；要有较宽的恒功率范围，保证电动汽车具有在高速公路上行驶的能力，电动机的过载系数应达到 34；在整个运行范围内，具有高的效率，以提高 1 次充电的续驶里程；可靠性高，以满足车辆的各种工况；价格合理，能被用户接受。 目前，大多数电动汽车都采用感应电动机进行驱动。在最新研制出的电动汽车中，美国通用公司的电动汽车 Impact 采用前轮驾驶，每个轮子上装有一台42.5kw、转速为 6600r/min 的感应电动机，配以 MOSFET 型逆变器。日产公司的FEV 电动汽车使用两台感应电动机，每台功功率 20kw，最

15、大转速 15000r/min，最大扭矩 47.5Nm，采用两台 IGBT 型逆变器和一台控制器。 永磁同步电动机由于具有很高的能量密度，体积小、重量轻、效率高，在电动汽车中也有很好的应用前景。它是采用高磁能稀土永磁制成，无滑环和励磁绕组一集无励磁铜耗，效率和功率因数都高于异步电机。但鉴于永磁材料价格昂贵，目前国外永磁同步电机仍只限于使用在小功率或二轮、三轮电动汽车上。开关磁阻电动机结构简单、坚固、启动性能好，没有大的电流冲击，效率高，它兼有异步电机变频调速和直流电动机调速的优点，在电动汽车驱动电机竞赛中是一匹不可忽视的“黑马” 。目前，英国研制的 Bedford 电瓶货车，采用20kw 开关磁

16、阻电动机作为动力源，在一般公路上成功运行了 482.7km，最高车7速可达 80.45km/h。另外还研制出了 50kw 的汽车驱动器。2.12.1 车用异步电动机概述车用异步电动机概述异步电动机是一种交流电机，也称感应电机，主要作电动机使用。其得到广泛应用是因为它有突出优点：结构简单、运行可靠、制造容易、价格低廉、坚固耐用、而且有较高的效率和相当好的工作特性。异步电动机定子相数有单相、三相两类。而电动汽车用异步电动机则采用三相异步电动机。异步电动机主要由固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，定、转子之间有气隙，在定子两端有端盖支撑转子。2.22.2 异步电动机的基本构造异步电动机的基本构造2

17、. 定子定子异步电机的定子由定子铁芯、定子绕组和基座三部分构成。定子铁芯的作用是作为电机磁路的一部分和嵌放定子绕组。定子绕组是电机的电路，其作用是感应电动势、流过电流。机座的作用主要是固定和支撑定子铁芯，具有一定的机械强度。.2 转子转子异步电动机的转子由转子铁芯、转子绕组和转轴构成。转子铁芯是电机磁路的一部分，一般由 0.5mm 硅钢片冲制后叠压而成。转轴其支撑转子铁芯和输出机械转矩的作用，转子绕组的作用是感应电动势，流过电流和产生电磁转矩。.3 气隙气隙异步电机定、转子之间气隙很小，对于中小型异步电机来说，气隙一般为0.2mm1.5mm。气隙

18、大小对异步电机的性能影响特别大。为了降低电机的空载电流和提高电机的功率，气隙应尽可能小，但气隙太小又可能造成定、转子在运行过程中发生摩擦，因此异步电机气隙长度常为定、转子在运行过程中不发生机械摩擦所允许的最小值。2.32.3 异步电动机的基本工作原理异步电动机的基本工作原理8当异步电机定子绕组接到三相电源上时，定子绕组中将流过三相对称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场，其同步转速取决于电网频率和绕组的极对数，即pf1s60n这个基波旋转磁场在短路的转子绕组中感应电动势并在转子绕组中产生相应的电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用而产生电磁转矩。为了描述转速，引入参数转差率。

19、转差率为同步转速 n 与转子转速 n 之差（n -n）对同步转速ssn 之比值，以 s 表示，即sssnnns当异步电机的负荷发生变化时，转子的转差率随之变化，使得转子导体的电动势、电流和电磁转矩发生相应的变化，因此异步电机转速随负荷的变化而变动。当 0n n ，即 0s1 时，如图（2.1）所示，转子中导体以与 n 相反的s方向切割旋转磁场，导体中将产生感应电动势和感应电流。由右手定责，该电流在 N 极下的方向为；由于左手定则，该电流与气隙磁场相互作用将产生一个与转子转向同方向的拖动力矩。该力矩能克服负载制动力矩而拖动转子旋转，从轴上输出机械功率。如果转子被加速到 n ，此时转子导体与旋转磁

20、场同步旋s转，它们之间无相对切割，因而导体中无感应电动势，也没有电流，电磁转矩为零。因此在电动机状态，转速 n 不可能达到同步转速 n 。s9图图 2.12.1 异步电机工作原理图异步电机工作原理图3 3 多种异步电机的驱动控制策略多种异步电机的驱动控制策略3.13.1 异步电机的启动异步电机的启动当异步电机通电启动时，在 t=0 时刻，n=0，s=1.异步电机对电网呈现短路阻抗 Z ，流过它的稳态电流为启动电流。利用简化等效电路，并忽略励磁支路，k则异步电机的启动电流（相电流）为 kstZUUIXXRR12212211一般笼型异步电机=0.140.25，在额定电压（=1）下直接启动，ZkU1

21、=47，则启动电流倍数为Ist741IIkNst而启动转矩倍数=0.91.3。kst一般笼型异步电机直接启动时，启动电流很大（=47）而启动转矩并不k1大（=0.91.3） 。启动电流大还会有以下影响：一方面使电源电压在电机启kst动时下降，特别是电源容量较小时电压下降更大；另一方面大的启动电流会在线路和电机内部产生损耗而引起发热。启动转矩必须大于负载转矩才可能启动，启动转矩越大，加速越快，启动时间越短。3.23.2 异步电机的驱动控制策略异步电机的驱动控制策略交流异步电机有很多种调速方法，其中很常见的有转差离合器调速、降电压调速、转子串电阻调速、串级调速、双馈电动机调速、变极对数调速和变压变

22、频调速等。其中仅变压变频调速就可以做到调速范围宽、效率高、动态性能10好，因而得到了快速发展和广泛应用。在采用一定的技术改进后使得变压变频调速可以具有高动态性能，从而使得交流调速系统的性能能够与直流调速系统相媲美。随着电力电子技术的飞速发展，现代控制理论的引入，变压变频调速控制策略的发展更是日新月异。.1 基于稳态模型的控制策略基于稳态模型的控制策略 调速的根本在于实现对电磁转矩的控制，早期的异步电机交流调速系统是基于异步电机的 T 型稳态等效电路来建立电磁转矩的稳态数学模型，但无法实现高效的电磁转矩控制，因而得不到较为理想的动态性能，但是由于其系统结构简单，在不需要高动态性能

23、的场合得到了广泛应用。 转速开环、恒压频比控制转速开环、恒压频比控制7 . 6转速开环、恒压频比控制的关键在于协调控制电压和频率，能在保证电压频率比不变即气隙磁通量不变的前提下，通过改变异步电机的同步转速1/Us就能实现调速。当转差频率较小时，电磁转矩公式近似为1 （3.1）RUnTrsspe13式中：为极对数，为定子电压，为电源角频率，为根据异步电机npUs1Rr的稳态等效电路折算到定子侧的转子每相电阻。当电磁转矩一定时，转差频率不变，因此带负载时的转速降不变，可以通过改变定子电压频率来平滑地改变同步转速，从而实现调速。在实际应用中，当频率较低时需要对进行补偿以U

24、s避免定子压降的影响。然而转速开环、恒压频比控制有缺点：无法控制电磁转矩，动态性能不理想，调速范围窄。 转速闭环、转差频率控制转速闭环、转差频率控制86 从式（3.1）能够看出，若能实现对的控制，则能控制电磁转矩，从而提s高系统的动态性能。在转速开环、恒压频比的基础上进行转速闭环控制，在稳态情况下，当限定电压频率突然增加时，电机转速来不及变化，因而转差频率增大，电磁转矩增大，电机转速上升，这就是转速闭环、转差频率控制的控制原理。转速闭环、转差频率控制实现了对电磁转矩的控制，动静态性能均优于11转速开环、恒压频比控制。.2 基于动态模型的传统控制策略基

25、于动态模型的传统控制策略 转速闭环、转差频率控制从异步电机的稳态等效电路和稳态转矩公式出发，却只能在稳态情况下维持气隙磁通恒定，因此动态性能不是很理想，要实现调速系统有高动态性能，必须根据异步电机的动态数学模型来控制磁通和电磁转矩。矢量控制和直接转矩控制是当今很成熟的基于交流电机动态数学模型的控制策略，在交流调速领域中已经获得广泛的认可和应用，反馈线性化解耦控制由于实现了磁链和速度的完全解耦控制，得到了快速发展和应用。 矢量控制矢量控制 矢量控制起源于 Blaschke发表的关于感应电机磁场定向控制的论文，后9来在感应电机定子电压坐标变换控制理论的基础上，经过各国学

26、者的广泛研究形成了比较成熟的矢量控制理论。矢量控制的基本思路是将定子电流分解成励磁分量和转矩分量，分别实现对转子磁链和电磁转矩的独立控制 （1.2）rstrmpeiLLnT （1.3）iTLsmrmrp1式中：为经坐标变换后在两相旋转坐标系下定子与转子同轴等效绕组间的互Lm感，为在两相旋转坐标系下转子等效两相绕组的自感，为转子总磁链，Lrr为定子电流转矩分量，为定子电流励磁分量，为转子电磁时间常数，pistismTr为微分算子。 矢量控制系统实现的关键在于维持转子磁链恒定，因此需要检测转子磁链信号，早期时人们尝试通过磁链传感器来检测转子磁链，但是遇到了不少工艺和技术上的问题，而且在低速时转子磁

27、链检测脉动分量过大，在当今的矢量控制系统中较多采用软测量的方法，通过检测电压、电流和转速信号来根据转子磁链模型计算磁链的幅值和相位。12 （1.4）;11,11rrsmrrrrsmrrTiLTTiLTpp （1.5）.,22iLLLiRuLLiLLLiRuLLsrmssssmrrsrmssssmrrdtdt式中：和分别为静止两相坐标系下转子磁链的分量，和分别为定rrusus子电压分量，和分别为定子电流分量，为定子等效两相绕组电感，为isisLsRs定子绕组电阻，为转速。电流模型估算转子磁链的准确性受到电机转子参数的影响较大；电压模型由于包含一个纯积分项，磁链估算的准确性受积分累计误差和初始值的

28、影响较大。在低速时由于反电动势较小，对磁链估算的准确性影响会更大。提高转子磁链估算模型的准确性和鲁棒性是改进矢量控制系统性能的关键。以滞后环节代替纯积分项的改进电压模型以及电流模型和电压模型的结合使用都可以提高磁链估算的准确性。 直接转矩控制直接转矩控制 矢量控制在理论上实现了磁链和转矩的解耦控制，但复杂的旋转坐标变换和转子磁链的难以准确定向限制了矢量控制的使用范围。Depenbrock提出直10接转矩控制系统，它采用双位式控制器直接控制电磁转矩和定子磁链，根据控制器输出从换相表中选择一个合适的电压矢量作用于电机，具有较快的转矩响应。直接转矩控制系统对电磁转矩的控制

29、原理如下：sin23srmpeLLnT其中，通过选择电压矢量使定子磁链在保持幅值恒定的情况下作LLLLmrs2加速旋转，则定子磁链与的夹角增大（小于/2） ，电磁转矩增大，实sr质上代表了转差率。 定子磁链和电磁转矩反馈模型定子磁链和电磁转矩反馈模型13直接转矩控制系统的核心问题是实现对定子磁链和电磁转矩的直接控制。计算定子磁链的模型有基于定子电压、电流的 U-I 法，基于定子电流、转子转速的 I-法以及两者的结合 U-法。U-I 法数学模型简单，但是在低速时由12于反电动势较小而无法准确估计定子磁链，一般用于中高速的定子磁链观测，用 1 阶低通滤波器替换 U-I

30、模型中的纯积分环节可以改进 U-I 模型，同1413时引入校正环节补偿磁链观测的误差，可以获得更准确的定子磁链观测值，1516在得到定子磁链后很容易的得到转矩测量值，I-法和 U-法由于引入了更多的电机参数，但鲁棒性较差，结构复杂，实现起来比较困难。17 转矩脉动抑制转矩脉动抑制基于双位式控制器的经典直接转矩控制系统的典型缺陷是转矩脉动过大。通过减小双位式控制器的误差限或者根据输出动态地改变误差限，能够在一定程度上减小转矩脉动，但是同时需要较高的电压矢量切换频率。普通变频器19只能生成 8 个电压矢量，离散空间矢量调制通过 8 个电压矢量的线性组合产生更多的电压

31、矢量，根据多级双位控制器的输出来合理选择电压矢量以保证较小的转矩脉动。当采用离散空间矢量调制方法时，电压矢量划分越细，控制精度越高，同时系统会越复杂。杨家强等提出一种基于电压空间矢量脉宽调制的误差拍控制方法，从理论上可以得到在下一采样周期中使采样和转矩误差为零的电压空间矢量，从而消除转矩脉动；另外采用 SVPWM 方法可以通过调节占空比来生成任意大小的电压矢量，无差拍控制虽然从理论上可以消除转矩脉动，但是由于计算量过大，同时对电机参数依赖性大，鲁棒性较差。 反馈线性化解耦控制反馈线性化解耦控制矢量控制和直接转矩控制均需要维持磁链恒定，否则存在非线性耦合，反馈线性化解

32、耦控制能够在磁链变化的情况下实现转速和磁链的精确动态解耦。反馈线性化控制通过非线性状态反馈和非线性变换实现系统的动态解耦和全局线性化，分为微分几何反馈线性化和直接反馈线性化。.3 微分几何反馈线性化微分几何反馈线性化微分几何反馈线性化方法通过引入微分几何中李导数的概念来选择一个可14逆的数学变换，经过变换后得到在新的参考坐标系下的系统方程，再经过状态反馈可以得到输入-输出解耦的线性化系统。黄济荣详细介绍微分几何方法在异步电机控制中的应用，通过微分同胚坐标变换和非线性静态状态反馈将异步电机数学模型解耦成转速和磁通 2 个子系统，解耦后的子系统可以分别根据线性系统理论来设计控制律。

33、微分几何反馈线性化从纯数学的角度出发，通过李导数来选择状态反馈，转换后的系统变量无力意义不明确，但它在理论上比较容易理解，系统的解耦也容易实现。.4 直接反馈线性化直接反馈线性化直接反馈线性化采用非线性逆系统理论来设计控制律，由我国学者首先提出。将原系统与逆系统串联可以构成一个复合的线性系统如图（3.1）所示，该控制基于动态反馈，系统各变量物理意义明确，用到的数学知识简单，但是由于需要考虑零动态问题，限制了它在工程中的应用。图图 3.13.1 直接反馈线性化系统图直接反馈线性化系统图3.33.3 现代控制策略现代控制策略由于负载转矩随时间变化，电机参数如电阻和电感随温服和频率变

34、化，传统的控制策略普遍受电机参数和扰动的影响较大；因此，人们开始不完全依赖于数学模型、鲁棒性更强的现代控制理论应用于交流调速控制系统。目前现代控制理论在交流调速控制系统中的应用主要包括与矢量控制、直接转矩控制结合，通过设计参数辨识器、观测器和智能控制器来修正模型参数和提高系统鲁棒性。.1 滑模变结构控制滑模变结构控制 滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，其基本思想是通过不连续的控制律使得系统按照所期望的轨迹运动。滑膜变结构控制结合矢量控制和直接转矩控制在交流调速系统中得到大量的应用。.2 自适应速度控制自适应速度控制通过大量的试验，结果表明自适应速度控

35、制器有较强的鲁棒性和快速响应特性，当负载转矩大于额定转矩时，转矩电流内环会产生较大的稳态误差，但是通过速度外环的自适应控制可以消除稳态误差，使转速能够跟踪给定值。Lin等以电机模型为参考模型，设计磁通自适应观测器、速度自适应观测器和定子电流观测器，定子电流观测器起到了辅助设计电流自适应控制器的作用。为了解决在交流调速系统中某些状态不可直接测量的问题，由系统可测状态和参数重构的自适应观测器近年来得到较快发展。在交流调速控制系统中，需要测量的状态变量一般由定子电流、定转子磁链和转速，但是在一般的控制系统中定子电流和转速可以直接测量，因此只需要设计定转子磁链自适应观测器。采用磁链自适应观测器的又是是

36、可以设计自适应律，根据实际输出量和预估输出量对磁链观测模型进行校正，得到更准确的磁链观测值。若将观测模型作为可调系统模型，选择合适的参考模型，根据模型参考自适应控制可以实现定转子电阻和转速的在线辨识，为无速度传感器控制的发展提供了思路。卡尔曼滤波器作为一类特殊的自适应观测器，兼有状态观测器和滤波器的功能。它可以滤除系统噪声和测量噪声的影响，基于最小均方误差对系统状态变量进行线性估计，因此比一般的观测器精度高，鲁棒性强。然而交流调速系统多为非线性系统，为此人们将交流调速系统方程在最优状态估计附近按泰勒级数展开，建立卡尔曼滤波方程，称为扩展卡尔曼滤波器（extended Kalman filter

37、EKF）算法。近年来 DSP 等高性能控制芯片的快速发展促使 EKF 在交流电机调速系统的参数辨识和磁链、转速观测中获得广泛应用。应用 EKF 算法建立全阶状态观测器可以对异步电机的转速、磁链以及电流等状态变量进行估计，但是由于电流和转速方便直接测量，为了简化观测器，人们开始研究基于 EKF16的降阶的磁链观测器。虽然基于 EKF 的观测器提高了参数辨识和状态观测的准确性，但是扩展卡尔曼滤波器的精确性和收敛性在很大程度上取决于系统噪声协方差 Q 和量测噪声协方差矩阵 R 的选取。Q 和 R 的选取原则是保证稳态跟踪和滤波收敛，通常可以选为单位矩阵，但是为了保证精度往往需要经过调试进行大量的试凑

38、。EKF 的滤波参数优化问题将会成为一个重要的研究方向。.3 模糊控制模糊控制模糊控制理论可以用于设计参数辨识器和模糊控制器。在矢量控制系统中，转速和电流控制器均可以设计成模糊控制器，从而提高系统对电机参数变化和负载扰动的抑制能力。模糊控制在直接转矩控制系统中的应用更普遍，由于直接转矩控制定子磁链的检测与定子电阻相关，当低速时定子电阻的变化对定子磁链影响较大，采用模糊辨识器可以实现对异步电机定子电阻的估算。传统的直接转矩控制系统，由于采用磁链和转矩的双位式控制无法分辨磁链和转矩的误差，当控制系统刚启动或者改变磁链和转矩参考值时会导致系统响应缓慢。将磁链位置、磁链误差和转矩误差作

39、为模糊变量，通过模糊控制规则选择合适的电压矢量可以得到更好的控制效果。结合 SVPWM 技术的模糊直接转矩控制系统既抑制了转矩脉动，又提高了系统抗干扰能力。.4 神经网络控制神经网络控制人工神经网络的神经元结构如图（3.2）所示，它的可任意逼近非线性模型特性十分适用于交流调速系统的控制。人工神经网络在交流调速控制系统中的应用包括神经网络辨识器和神经网络控制器的设计。17图图 3.23.2 神经网络控制系统图神经网络控制系统图184 4 异步电机的数学模型异步电机的数学模型异步电机是根据电磁感应定律制成的，定子通电产生的磁场使得转子转动。在变频调速过程中，要综合考虑电压和频率的协

40、调控制，而且电压、转速、磁通之间相互耦合，如磁通由电流、电压等计算得到；电磁转矩时磁通和电流相互作用产生，感应电动势中存在磁通与转速的乘积项；转速的变化要考虑惯性和阻尼等因素的影响。所以异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的高阶系统。因此，对系统的控制是比较复杂的，在根据电机学原理对其电压、电流、磁链等关系进行合理分析的基础上建立合适的电机模型，是对控制方法进行研究的前前提和基础。4.14.1 初始的三相状态下的电机模型初始的三相状态下的电机模型定子三相绕组的轴线在空间上是固定的，转子绕组轴线随转子旋转，一定子 A 相绕组轴线作为参考坐标轴来确定转子的空间位置，以 ABC 三相代表定子绕组，a

41、bc 三相代表转子绕组建立如图（4.1）所示的三相感应电机的物理模型。为了降低系统的复杂性，简化其数学模型，常作以下一些假设：（1） 假定电机的定、转子绕组是各自对成的，所产生的磁动势和磁场在空间上按正弦分布；（2） 假定磁路是线性的，忽略铁心损耗；（3） 不考虑磁饱和和温度等对电机参数的影响。19图图 4.14.1 三相感应电机的物理模型三相感应电机的物理模型由此可以得到由电压、磁链、电磁转矩、运动方程等组成的电机数学模型。.1 磁链方程磁链方程根据图 4.1 可以写出定、转子各相绕组的磁链方程：iiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL

42、LLcbaCBAccbcacCcBcAbcbbabCbBbAacabaaCaBaACcCbCaCCBCABcBbBaBCBBAAcAbAaACABAcbaCBA式中、 、 为定子各相绕组的磁链， 、 、为转ABCabc子各相绕组的磁链， 、 、 为定子各相绕组的自感， 、 、 LALBLCLaLb为转子各相绕组的自感，66 矩阵中其余项为定、转子各相间的互感。Lc由于电机气隙均匀，所以定、转子各相绕组自感为常数，则满足的表达式记作： = =LALBLCLs1= = =LaLbLcLr120由于气隙磁场是按照正弦分布的，则定、转子各自的互感为：= = = = = =LABLBALBCLCBLCA

43、LACLm121 = = = = =LacLcaLbaLabLcbLbcLm121式中为绕组的励磁电感。Lm1定、转子相互间的互感与转子位置有关，即为r= = = = = =LAaLaALBbLbBLCcLcC)cos(1rmL= = = = = = LAcLcALBaLaBLCbLbC)120cos(1rmL = = = = = LAbLbALCaLaCLcBLBc)120cos(1rmL定子磁链空间矢量和电流矢量定义为：sisCbAsaa232iiiiCBAsaa232ABC 轴系下的转子磁链空间矢量和电流矢量可表示为：rirerjcbaraa232eiiiirjcbaraa232式中为定

44、转子坐标的夹角。r由上式自可知静止坐标下的磁链矢量方程为：iLiLrmsssiLiLrrsmr式中，其中、为定、转子电感，、为定、转子LLLLLLmrrmssLsLrLsLr漏感，为电机的等效励磁电感。LLmm1.2 电压方程电压方程 定、转子的电压方程可以表示为：21cbaCBAcbaCBArrrssscbaCBApiiiiiiRRRRRRuuuuuu000000000000000000000000000000式中、 、 为定子各相的电压， 、 、为转子各相绕组的uAuBuCuaubuc电压， 、 为定、转子各相绕组的电阻，p 代表 d/dt，称为微分算子。 RsRr定转

45、子的电压矢量、同其磁链矢量一样，也满足以下式子：UsUruuuUCbAsaa232euuuUrjCBAraa232从上式可以得到其矢量方程为：sssspiRUrrrrrrjpiRU式中为电机的电磁角速度。r.3 转矩方程转矩方程电磁转矩，机械能之间有以下关系：TeWmdtdWPTmnre其中为磁极对数。Pn定义磁场储存的能量和磁共能为：wfwfidiididdrsrsrsfrsfwiiw0000根据机电能量转换原理，输入电机的能量为wewwwmfeddd22式中rrssedddiiwiLiiLiLwwrrrsrmssff2221cos21iiiwwrrssssff根据上述式子可

46、以推导出电机转矩的表达式为：TeiLLPiPiPiiLPTsrrmnssnrrnrrsmnesin该表达式可以作为不同磁场定向下的矢量控制的电磁转矩方程。.4 运动方程运动方程 电机系统的机械运动方程为：TRTLedtdJ式中，J 为系统转动惯量；为系统负载；为阻尼系数；为系统的机械TLR转角速度且。Pnr4.24.2 两相静止坐标下的电机模型两相静止坐标下的电机模型从静止坐标系下的电机模型可以看出电机系统是一个非线性、强耦合、复杂系统，为了便于控制，需要经过坐标变换理论将其转化为坐标系下的异步电机模型进行简化。经 Clarke 变换化简后的电机模型如下：.1

47、磁链方程磁链方程iiiiLLLLLLLLrrssrmrmmsmsrrss00000000下标中的“s”代表定子上的各变量，下标中的“r”代表转子上的各变量。.2 电压方程电压方程23iiiiLRLLLLLRLLLLRLLRuuuurrssrrrrmmrrrrrmrmmssmssrrsspppppppp_0000对于转子为鼠笼式的电机，。0uurr.3 电磁转矩方程电磁转矩方程iiiiLPTrsrsmne4.34.3 同步旋转坐标系下的电机模型同步旋转坐标系下的电机模型由于轴系是个伪静止的坐标系，无准确的意义，为此以转子磁链矢量的方向作为代表励磁分量的 M 轴，超

48、前其 90 度的 T 轴为转矩分量轴，该轴系就成了一个以同步电角速度在空间旋转的正交轴系。所以经过对轴s系下的电机模型进行坐标变换可以得到 MT 轴系下的电机数学模型。.1 磁链方程磁链方程iiiiLLLLLLLLtmTMrmrmmsmstmTM00000000式中，、为 MT 轴系下的定子磁链分量，、为转子磁链分量，MTmt、为定子电流分量，、为转子电流分量。iMiTimit.2 电压方程电压方程iiiiLRLLLLLRLLLLLRLLLLLRuuuutmTMrrrfmmfrfrrmfmmmsssssmsmsssstmTMpppppppp式中为定、转子的转速差

49、，、分别为定子电压在frsfuMuTM、T 上的分量，对于转子为鼠笼式的电机，转子电压。0uutm经过上述的坐标变换，最终将一个异步电机的数学模型变换为类似直流电机的24数学模型，实现了解耦控制。4.44.4 基于转子磁场定向的电机控制系统基于转子磁场定向的电机控制系统磁场定向就是规定坐标轴与磁场方向的关系，当转子的 M 轴与磁场方向重合时，就称为转子磁场方向。到目前为止，尽管矢量控制系统中可以采用定子磁场定向、气隙磁场定向，但是转子磁场定向的矢量控制方式任然是异步电机矢量控制中最常用的方式。在 MT 轴系中，对转子磁场进行定向，。那么，由磁链和rm0t电压方程可以得到磁链的表达式为：pTiL

50、rMmr1其中，为转子时间常数，为转子磁链。TrRLTrfrr转子磁场定向下的电压表达式为：rrmTssMsMsMPPLLiLiLiRursrmMssTsTsTLLiLiLiRuPrrTmfTiL式中，。LLLrsm21 此时，电磁转矩方程为：iLLPTTrrmne上式是基于转子磁场定向的矢量控制表达式，反应了转子磁链、转矩和电压、电流的关系，为后面电机驱动系统的控制策略研究提供了理论依据。5 5 仿真仿真25 仿真分析是进行系统控制研究十分有效的方法，通过对系统实际工作中的过程和环境的模拟实验，验证所制定的控制策略的合理性和正确性，由所指定的控制策略的运行结果并通过结果的分析，可以改进和优化

51、控制算法，获得较好的控制结果。本章采用 MATLAB/SIMULINK 仿真软件对所提的电机驱动控制策略进行仿真验证，搭建了控制系统模型并对其进行仿真调试分析，验证了控制算法的合理性和有效性。5.15.1 仿真工具仿真工具仿真分析是进行系统控制的重要手段，通过对系统实际工作过程及环境的模拟，得到所制定的控制方法的运行结果并对结果进行分析以期改进和优化控制算法，获得较好的控制结果。它在整个科学研究领域中发挥着重要作用，其缩短了科研的周期，研发过程中可以实时调整控制方法而不需要改变系统硬件，节省了研发的成本。目前应用较为广泛的仿真软件是由美国 Mathworks 公司开发的 MATLAB 软件。它

52、是 Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写，是一款面对科学计算、系统可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境的软件。具有十分强大的数值分析与计算功能，能够较好的实现对图像和信号的处理，广泛应用于编程开发、数据处理、控制系统建模与仿真、通信工程、电力电子、测试和测量等众多应用领域。MATLAB 中自带的 SIMULINK 仿真模块分为基本模块和专用模块，其中基本模块包含信号源、数学运算、逻辑判断、子系统、信号观测等模块，专用模块是软件根据不同学科领域的要求构建封装完成的标准模块。利用该工具箱可以完成任意动态系统的建模、仿真分析，与语言编程相比具有建模简便、系统可视化、设计模块化等

53、优点。5.25.2 基于基于 Matlab/SimulinkMatlab/Simulink 的异步电机控制系统仿真模型的异步电机控制系统仿真模型由于异步电机是一个高阶次、强耦合、非线性的多变量系统，电动汽车又要求很强的调速性能，所以传统的控制分析方法并不适用。电动汽车异步电机的控制系统现在一般采用转子磁场定向的矢量控制方法和直接转矩控制方法，直接转矩控制方法在汽车低速行驶的时候容易产生波动、高速时噪音大，并且容易产生过流。所以，目前矢量控制方法应用更广泛。转子磁场定向的矢量控26制方法从 20 世纪 70 年代初开始发展到现在，已经能使异步电机得到和直流机一样的调速性能。它的主要控制思想就是把

54、异步电机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制，通过对定子电流的解耦，把定子分成两个正交分量：一个是用来产生转子磁通的励磁分量，它相当于他励直流电动机的励磁电流；另iM一个是用来产生电磁转矩的转矩分量，它相当于直流电动机的电枢电流，由iT此实现了对转矩的动态控制。矢量控制系统框图如图（5.1） 所示。它主要包括异步电机模块、矢量控制模块和逆变器模块。其功能和算法介绍如下：图图 5.15.1 矢量控制系统矢量控制系统.1 异步电机模块异步电机模块由上一章推导的在 MT 坐标系下的异步电机数学模型方程，可以建立基于MATLAB/Simulink 的异步电机模型：27图图 5.25.2

55、 异步电机模型异步电机模型由图（5.2）可知，定子电压、通过三相/二相变换器得出两相uAuBuC静止坐标下的定子电压、，再通过从坐标系到 MT 坐标系的uu二相/二相旋转变换器得到、，然后送人上一章所编写的 U-I 转换器得到的uMuT电机励磁电流分量和转矩电流分量，并由和计算得出电机的定子iMiTiMiT三相电流、和经过上一章编写的输出模块得出电机的一些iAiBiCiMiT输出参数。实现电机的转速 n，电磁转矩，转子磁链，同步角速度，Ters转子电角速度，转差角速度，转子转角的计算。rf.2 矢量控制系统模块矢量控制系统模块本模块主要包括磁通观测器模块、控制器模块、I-U 转

56、换器模块和坐标变换模块几个子模块。 磁通观测器子模块此模块用电机的定子三相电流和电机的转速来得出电机转子磁链的大小和转角，并得出电机定子电流的和分量和电机的同步转速。iMiTs有方程：iiiTMMmMmrdtdiiMmTrsT128加入坐标变换可得到磁通观测器模型，如图（5.3）所示。图图 5.35.3 磁通观测器模型磁通观测器模型 控制器子模型由磁链环、转速环、定子 M 轴电流环、定子 T 轴电流环构成，每个闭环都有一个 PI控制器来调节。转速调节器输入为限定的转速和电机当前转速，输出为电机的目标转矩；磁链调节器输入为电机的限定转子磁链和由磁通观测器算出的电机转子

57、磁链，输出为给定的定子 M 轴电流；将磁链调节器输出送入 M 轴电流调节环并比较反馈的 M 轴电流，得出限定的；转速调节器输出的限定转矩转矩经计算得出限定的 T 轴电流，将它送入 T 轴iM电流调节器并比较反馈的 T 轴电流，得出限定的。iTU-I 转换器模块由于大功率电机不能进行电流控制，只能进行定子电压的控制。此模经定子电压解耦计算，将限定的、转换成限定的定子电压、。iMiTuMuT 坐标变换子模块此模块实现不同轴系之间的电压、电流转换。图（5.1）中二相/二相变换器实现由、到、的转换；二相/三相变换器实现、到、uMuTuuuuuAuB的转换。uC5.2.35.

58、2.3 逆变器模块逆变器模块此模块选取 6 个 IGBT 管作为逆变开关（Simulink 里的 Universal Bridge 模块） ，触动脉冲选用空间矢量 PWM 逆变算法进行编写。该仿真模块如图（5.4）：29图图 5.45.4 逆变器仿真模块逆变器仿真模块.4 考虑时间延迟的解耦考虑时间延迟的解耦在实际系统中，由于逆变器或者在信号处理过程中存在时间的滞后，当电压频率较高时，将会导致系统运行不稳，严重时会使矢量控制系统失效。对定子电压解耦算法加以修正，可消除这种影响。假设整个延迟时间集中在信号传输末端，即逆变器一端。当滞后时间比较短，并且电压频率不高的情况下，滞后环节

59、可以用一阶延迟环节表示。在 ABC 轴系中，可以表示为：uuusrefssdtdT式中为延迟后的电压矢量；为所需要的定子电压矢量；T 为延迟时间。ususref将方程变换到 MT 轴系中，可得到以下方程：uuuuMrefTsMMTdtdTuuuuTrefMsTTTdtdTuuupMMMrefuuupTTTref30其中iPLRLRuMssSSMTpT2iLRLiLiLuTsssaMmsMsspMpTTTT212 ipTRMmaspT21iPLRLRuTssSSTTpT2 iLRLiTumsssaTsspTpTTT22iTRiTRMmsssMmsasTp121为了利用上式进行分析，进一步推导可得

60、：rMMrrMmLiLRip1rMMrrMrrMmLiLRiLRipp1222利用上式编写出基于时间延迟的解耦仿真模块，如图（5.5）所示。图图 5.55.5 解耦仿真模块解耦仿真模块315.35.3 仿真结果及分析仿真结果及分析仿真采用的异步电机模型参数为：定子电阻=4.1；转子电阻=2.5RsRr；互感=0.510；定子自感 =0.545；转子自感=0.553；极对数LmLsLr=2；转动惯量 J=0.02pn2mkg 图（5.6） （5.7） （5.8） （5.9） （5.10） （5.11）分别是负载启动时异步电机的电压、电流、输出转矩、转速、定子电流响应曲线和转子磁链的仿真结果。图图