电动汽车用永磁同步电机控制系统设计

1、电动汽车用永磁同步电机控制系统设计硕士学位论文电动汽车用永磁同步电机控制系统设计Design of permanent作者姓名magnet synchronous motor control指导教师system for electric vehicle学科专业控制工程二0一五年六月23摘要本文在开始先介绍了研究电动汽车的背景及其意义，并介绍了电动汽车在国内外的发展现状，然后从电动汽车的燃油经济性，驱动性，安全性及舒适度，三个方面分析了电动汽车比其他燃料汽车存在的优越性。电动机是电动汽车的核心部件，本文中从其驱动方式把电动机分为四大类，直流有刷电动机，永磁同步电动机，永磁无刷直流电动机和开关磁阻

2、电动机。本章从工作原理与性能方面分析了，这四种电动机各存在的优点和不足。从中得出永磁同步电动机是电动汽车比较理想的选择。本文刚开始介绍了永磁同步电动机PMSM的三种不同的控制方式，恒压频比控制，矢量控制，直接转矩控制，并从三者之间比较得出， PMSM采用直接转矩控制 DTC的方式有着比其他两者更好的稳定性。随后从永磁同步电动机PMSM的结构及其特点，分析了其优越性，并建立数学模型，根据空间矢量坐标关系推导出PMSM的在各坐标系下DTC的原理。本章分析了定子磁链与电磁转矩的估算和滞环控制，通过其原理研究了开关表控制的方式，并对 PMSM的直接转矩控制DTC的 Matlab/Simulink仿真，

3、最终得出了DTC较其它控制方式的稳定性。其次分析了永磁同步电机PMSM的直接转矩控制DTC存在的诸多缺点，并提出基于 SVM技术的 SVPWM的控制方式，即空间矢量调制 DTC控制策略，通过 Matlab/Simulink 仿真，得出 SVPWM比 PMSM DTC有着更好的稳定性。TI 公司推出的 TMS320F2812 DSP芯片的控制系统设计，从硬件电路的设计和软件的设计， 两个方面研究了该芯片。 DSP硬件方面包含了智能模块的自保护特性，并设计了检测电路，保护电路，驱动电路和 CAN通信等模块，软件系统方面分析了，其初始化流程图，接收流程图等。关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；DSP

4、；SVPWMIAbstractInthispaper,wefirstintroducethebackground and significanceof theresearchofelectricvehicles,andintroducesitspresentsituationof development at homeandabroad,andfromthefueleconomyanddriving, safety and comfort, three aspectsanalysistheadvantagesofelectricvehiclesthanother fuelvehiclesexi

5、st.Asthe motor of the core components of electricvehicles, from the drive motor is dividedinto four categories, DC brushless motor,permanentmagnetsynchronousmotor,permanentmagnetbrushlessDC motorandswitchedreluctancemotor.Thischapteranalyzes the advantages and disadvantagesof these four motor in the

6、 aspects of theworking principle and performance. It isconcludedthatthepermanentmagnetsynchronous motor PMSMas the core component of electric vehicle, is the ideal choice of the motor vehicle. In this chapter, threeIIdifferent controlmodes, constantfrequencyratiocontrol,vector controlanddirecttorque

7、controlofPMSMare introduced.Andthe comparisonbetween the three,the directtorquecontrolDTChas better than theothertwo.Then, the structure and characteristics of PMSM are analyzed, and the advantages of PMSMPMSMare analyzed, and its mathematicalmodel is established. According to the space vector coord

8、inate, the mathematical model of PMSM is deduced and the principle of DTC is analyzed. In this chapter, thestator flux linkage and the magnetic torque estimation and the hysteresis control are analyzed, and the research methods of the switching table control are studied by theprinciple. The Matlab/S

9、imulink simulation of the direct torque control DTC of PMSM is demonstrated, and the advantages of the DTC control mode stability are proved.IIISecondly,the disadvantagesofthePMSMdirecttorquecontrolDTC, thefluxlinkage,thelargetorqueripple,andthepoorperformanceofthecontrolsystemareanalyzed. The contr

10、ol mode of SVPWM basedon SVMtechnologyisproposed,that is,therealization of the space vector modulationDTCcontrolstrategy.ThroughthesimulationofMatlab/Simulink,SVPWMhasbetter stability than PMSM-DTC.At last,the design of the controlsystem ofDSPTI chip isintroduced, and thedesignofthe hardware circuit

11、 and the design of thesoftwarepartarestudied.Thechipisdescribedintwoaspects.DSP hardwareincludes the self-protection of the smartmodule,andthedetectioncircuit,protection circuit, driver circuit and CANcommunication module. The software systemanalysis,and its initializationflow chart,receiving flow c

12、hart and so on many parts.IVKey Words： permanent magnet synchronous motor; direct torque control；DSP；SVPWMV目录摘要 .I1.绪论.11.1论文的研究背景和意义 .11.2电动汽车国内外发展现状 .21.2.1电动汽车国外发展状况 .21.2.2电动汽车国内发展现状 .31.3电动汽车优越性.41.3.1提高燃油经济性 .41.3.2提高驱动性 .41.3.3提高安全性和舒适度 .41.4驱动电动机的工作原理与性能比较51.4.1直流有刷电动机 .61.4.2永磁同步电动机 .61.4.3

13、永磁无刷直流电动机 .61.4.4开关磁阻电动机 .61.5永磁同步电动机的多种控制策略 .71.5.1恒压频比控制 .71.5.2矢量控制 .71.5.3直接转矩控制 .81.6本论文的的主要工作及安排 .81.6.1主要研究工作 .81.6.2论文安排 .82.电动汽车 PMSM系统研究 .82.1永磁同步电机 .92.1.1永磁同步电动机的结构和特点 .92.1.2永磁同步电动机的数学模型.112.2直接转矩控制实现 .152.2.1定子磁链的估算和滞环控制.162.2.2电磁转矩的估算与滞环控制.172.2.3开关表的研究 .182.3直接转矩控制 MATLAB仿真 .193.SVPW

14、M 研究 . .243.1引言.243.2SVM技术用于永磁同步电机的直接转矩控制 .243.2.2SVPWM 技术研究 .253.2.3电压幅值研究 .293.2.4电压矢量的分区 .313.3SVPWM的 MATLAB仿真 . .344. TMS320F2812 DSP 控制系统的设计 .364.1控制系统整体设计 .364.2硬件电路设计 .374.2.1DSP 最小系统设计 .374.2.2智能功率模块的自保护特性.404.2.3检测设计电路 .424.3软件系统设计 .465. 工作总结与展望 .515.1总结.515.2展望.51参考文献.52辽宁工程技术大学硕士学位论文绪论本章节

15、开始论述了电动汽车的研究背景，意义及其发展的现状，并对传统汽车与电动汽车的燃油经济性，驱动性，安全性及舒适度进行对比，证明了电动汽车的优先性，另外把多种驱动电动机在工作原理和性能进行比较，得出永磁同步电动机更适合电动汽车，并分析了永磁同步电动机的三种控制策略，证明永磁同步电动机，直接转矩控制是最比较好的选择。11.1论文的研究背景和意义人类活动对我们周围的环境造成了一定的影响，这样就出现了环境问题，环境问题对我们的生产和生活也有影响，目前人类知道的环境污染有主要有多种：全球变暖，酸雨，淡水资源危机，土地荒漠化，物种加速灭绝，有毒化学品汽油和柴油。汽车用燃料燃烧后，产生的尾气中，成分非常复杂，达

16、有 100 种以上，尾气危害着人类生存健康，对人类生活的环境产生深远的影响。正是由于能源与环境存在的很多问题，才使人类认识到，电动汽车应该代替传统的燃料汽车，这样就会对环境的改善做出贡献。电动汽车主要是运用电能驱动，而电能是清洁能源，不会对大自然带来，诸如温室效应，环境污染等问题，而且电能的利用率比传统的汽车高很多。现在很多能源都可以转换成电能，如水能，风能，潮汐能，等等，如若在晚上，给电动汽车进行充电，就可以充分的利用电能。下图给出了汽油机车辆，柴油机车辆及电动汽车所排放的有毒有害气体的比较。如图 1.1120100%80CO/放60H排对N相40SO200汽油机车辆柴油机车辆电动汽车辆图

17、1.1各种车辆全部有害排放物的比较由上图 1.1 可见，传统的汽油，柴油汽车所排放的污染物，如 CO等有害物很多，如果不经过处理，就这样随便排放到我们的环境中，势必会对我们的周围环境带来很大的危害，如果这些有害物质被人类吸入的话，就会对人类的生存也会带来危险，而且电动汽车还有一个很大的优势，就是不会产生太大的噪1辽宁工程技术大学硕士学位论文声。燃油车的发动机由复杂的机械传动装置组成，在发动机启动，运行，加速的环节，会造成很大的噪声污染，而电动汽车就可以极大的避免了大噪声的发生。1.2电动汽车国内外发展现状现代的电动汽车发展了100 多年，已经不是以前单一的技术，现代的电动汽车是以电池为主要动力

18、源，驱动来源主要是电，在进入 20 世纪以来，人类在电力电子，自动控制等方面的技术，已经得到了很大的发展，现代的电动汽车包含了各种各样的工程技术于一身。现在的电动汽车主要可以分为以下几大类型：纯电动汽车，燃料电动汽车，混合动力电动汽车。电动汽车国外发展状况在日本，美国，欧洲等许多发达国家，人类对环境的破坏越来越严重，所以国家政府对燃料汽车的排放要求也越来越苛刻，因此各国政府对相关的汽车厂家也投入了很多的人力，物力，财力，来促使汽车生产厂家开始对电动汽车的研发投入了很多技术，并且对电动汽车的使用者采取鼓励政策。这样从国家，厂家，买家三方面采取相关的措施，促使电动汽车进一步的发展。(1) 日本。三

19、菱汽车公司于 2009 年量产型电动汽车的生产，其使用锂离子电池属全世界首次的。轻型汽车“i”的车体内搭载有永磁同步电动机及质量为 200kg 的蓄电池组，一次充电不使用空调的情况下可以行使120km，使用空调的话可以行使100km。开始初期主要卖给公司等法人单位，2010 年 4 月开始向个人预定销售，如果可能的话，这将是一般驾驶员可以购入的初次的真正的电动汽车。日本汽车公司已经在2010 年后半年将其新研发的电动汽车LEAF投入市场。 LEAF 使用了薄板型紧合锂离子及输出了功率为80kw 的电动机。有关电动汽车的特性还没有完全统一的标准，所以比较很难，但是可以认为和三菱的 i-MiEV

20、相比，能量装置和功率装置的性能应该在其23 倍。因此，日产说“可以达到和过去的汽油车同等的快速反应和驾驶舒适性”。其发表的行使距离为充满电情况下160km。可以说制造商在加快充电速度方面也下了很大功夫，今后如果在各地配置像汽油加油站那样的快速充电器的话，在 30min 内就可以将电池由 0 充到 80%。新型汽车级公司三菱 i-MiEV 的车辆本体价格很低，即使在有国家和地区自治体的补助金，实质上也还得200 万日元一台，和汽油车的“ i”相比大约是其两倍以上。(2) 美国。美国在很早以前就开始对电动汽车的资助，并与1976 年，立法，补贴的手段刺激本国对电动汽车的发展。早在 1900 年美国

21、加州已经颁布了防止大气污染的限制性法令，其要求在随后的几年里，加州不断的提高新电动车的销售量所占的比重。正是由于美国法规的推行，促使电动汽车慢慢的生产和应用，此后，美国还陆陆续推出了很多鼓励性的政策，来促进厂家生产电动汽车从而加速了美国电动汽车的产业的进程，并且多家公司签订协议，一起联合研究新型电动汽车电池。从而使钠硫电池代替了原始的铅酸电池。2辽宁工程技术大学硕士学位论文(3) 欧洲。欧洲对环境污染看的很重，也对节能减排很重视，因此欧洲各国颁布了相关法令，来推动电动汽车的研发，生产和销售的进程。德国政府早在1994 年就开始给电动汽车厂家投入补助1.5 亿马克，随后进一步 UI 新一代电动汽

22、车试验实行补助，低息贷款及减税等优惠的政策，早在 20世纪 80 年代，就已经开始了生产大型电动客车。德国政府目标2020 年成为全球第一大电动汽车生产厂家。法国政府在很早就在政策上支持和鼓励开发电动汽车技，并为电动汽车的生产提供很大的资助，政府和多家电动汽车企业签署协议，共同研发，生产电动汽车，早在 1990 年标志与雪铁龙公司就投入两款电动汽车进行生产，并在 20 多个城市率先使用电动汽车，而且政府让政府单位先使用电动汽车，还有可以免第一年的税，给生产厂家进行一定的补助等多个好的政策。因此，法国在全世界电动汽车的使用率排在前列。英国电动汽车的生产技术和电动汽车的使用量最为广泛，其历史已经可

23、以追溯到到 50 多年以前，英国著名的汽车设计公司早在1979 年就开始研发电动汽车，英国政府颁布了很多惠明政策，如免收各种税款，夜间充电电费减半等。其他国家和地区对已经对电动汽车的技术展开研发和生产。电动汽车国内发展现状国内电动汽车的研究起始也比较早，但是规模比较小，投入也比较少，自20 世纪 80 年代开始，我国政府比较重视电动汽车的发展， 于是把电动汽车的研发列入国家发展计划，于是国内各高校和汽车生产厂家陆续开始研究电动汽车，如清华大学，华南理工大学，东风汽车公司，都开始研究工作，但与国外电动汽车还有很大差距。幸福使者电动汽车就是天津清源电动车辆公司生产的，其运用了纯电动汽车技术。它搭载

24、优质电动机并装配经优化匹配设计的进口电动机控制器，动力强劲，采用国内顶级优质铅酸蓄电池，其符合环保，节能的理想效果理念。我国首款批量生产的电动汽车是被誉为国内纯电动“第一车”的众泰 2008EV纯电动乘用车，其在最大功率，最高时速，续航里程都有了很大提升。国内第二款新能源汽车是奇瑞公司推出的纯电动汽车 S18，其搭载了驱动系统， 磷酸铁锂电池都对电动汽车的性能有所提升。 S18 充电电压为民用 220V 电压，充电 46 小时，可以充满 80%的电量。“超越一号”是我国的第一辆燃料电池轿车，其生产并验收于 2003 年，连续行驶 210km，最高时速为 110km/h，这一燃料汽车的推出，大大

25、缩短了同世界先进国家的差距。在混合动力轿车领域，我国的第一汽车集团公司生产的奔腾轿车是“ 863” 计划资助的新一代车型，其具有节能和环保的性能。F3DM ，F6DM是比亚迪公司于 2009 年初推出的双模电动轿车， 在日内瓦和底特律车展上一亮相，就引起国内外媒体的关注，而且在关键动力电池技术上，领先于美国通用和日本丰田等品牌汽车。在铁动力电池领域，获得了很多国内外专利。近几年，我国开始重视电动汽车的研究和开发工作，在 2001 年，科技部把电动汽车重大专项论证会列为我国“十五” “863”计划，此计划标志着电动汽3辽宁工程技术大学硕士学位论文车开发专项正式启动，对我国汽车产业有很大意义，并计

26、划于2011 年，生产 20万辆纯电动车，混合动力汽车等新能源汽车。随着国家对电动汽车行业的逐步重视，各大汽车生产厂家也加大对电动汽车研发和生产的投入，慢慢形成了一大产业，我国政府的政策也开始对电动汽车倾斜，各大厂商展开合作，共同研究电动汽车这一大新兴产业。与此同时，电动汽车中的很多重要的组成部分，如电池，电机等也加大了投入和研究。我国经过这些年的不懈努力，我国电动汽车行业也有了很大提升。1.3电动汽车优越性电动汽车用电驱动，传统的燃油汽车使用的是汽油或柴油，从转换率来讲，用电驱动有着更高的变换效率，并且电动汽车还有很多的优点，例如，燃油经济性，驱动性，安全性和舒适度。另外由于环境污染越来越严

27、重，成为了不容忽视的问题，因此电动汽车在未来有很多的发展空间，在很大程度上，可能代替燃油汽车的发展空间。提高燃油经济性汽车在运行的时候，轮胎有一个向前的速度，在转弯的时候，也有一个转弯的旋转力，而这相当于空转，因此，现在只传递了 60%的动力， 40%在滑转，我们汽车的转速，就有一部分损耗在了汽车的转弯的部分，这和实际的车速还是有很大的区别的。据此，发现两者之间有很大的差别。而这个差值就会让我们浪费很多的能量，轮胎摩擦生热，并且会在一定程度上，对轮胎有磨损 3 ，解决这个问题的办法是运动控制，检测驱动和车轮速度，当滑转的时候，就降低转矩，这样无效运动就会降低，可以将损失降低很多。使用运动控制效

28、果确实可以显示。另外，电动汽车是利用电来驱动的设备，而传统的燃油汽车，使用的是化学能，燃烧推动发动机运转，这样它的转化率很低，电直接驱动电动汽机效率很高。提高驱动性由于传统汽车的发动机体积大，其小型化有一定难度，还需要设置冷却和排气系统，而电动汽车的发动机是电动机，体积很小，这样电动汽车就可以安装多个电动机，他们直接只需几根电线来连接。这样就可以在每个车辆安装一台电动机，使电动汽车四轮独立驱动成为可能，在进入弯道时，电动汽车不同的发动机就可以用输出不同的转矩来实现，这样就就提升了其驱动能力。提高安全性和舒适度电动汽车使用的电动机精确控制车轮产生的转矩只需检测电动机的电流值，而传统的燃料汽车，则

29、非常困难，如果能够控制发动机发生的转矩，就可以估算出车辆的运行路面状态，并提出警示，根据路面状况的最优控制也可能的，这样就会进一步设计更安全，更舒适的汽车，而传统的燃料汽车则不能实现这4辽宁工程技术大学硕士学位论文样的功能。通过燃料的比较可以看出电动汽车的燃料费比汽油车还便宜。表 1.1 燃料费的比较种类条件每千米的燃料费电动汽车夜间电费12 日元通常电费310 日元汽油车1L燃料行驶 24 日元距离为 5 km1L燃料行驶 12日元距离为 10 km1L燃料行驶 8日元距离为 15 km1L燃料行驶 6日元距离为 20km1.4驱动电动机的工作原理及性能比较电动汽车的驱动系统是电动汽车最关键

30、的子系统，担负着将电能转变为机械能，并通过传动装置（或直接）将能量传递到车轮进而驱动车辆按照驾驶员意志行驶的重任。电动机是驱动系统的心脏。电动机的选择是否合适决定着驱动系统的性能的好坏，电动汽车设计的基础是电动机的选择。根据驱动系统对电动机的要求，可以把驱动电动机分为：直流有刷电动机，永磁同步电动机，永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机。在最早的时候，电动汽车选择的电动机一般都采用直流电动机，因为它结构简单，成本低，但随着人类科学技术的发展，比直流电动机更优越的电动机出现，如就交流电动机，永磁同步电动机，开关磁阻电动机等，很有可能代替直流电动机。5辽宁工程技术大学硕士学位论文直流有刷电动机早期电

31、动汽车有蓄电池供电， 采用的是直流有刷电动机， 其主要优点是控制简单，技术成熟，具有优良的控制特性，即使到现在仍有一些电动汽车使用直流电动机来驱动。虽然直流有刷电动机有着上面所述的优点，但是由于其电刷及换向器，对电机的速度和负载能力有一定的影响，特别是长时间运行，直流电动机的电刷和换向器不得不进行维护，特别由于转子的损耗，是直流电机很难散热，对电机转矩的提高有一定的影响，并且电机的维护麻烦，转换效率低，由于直流电机的电刷和换向器容易产生火花，会生成电磁干扰，限制电机的转速及电压，因为上述直流有刷电动机的缺点，最新研制的电动汽车已很少使用直流有刷电动机了。永磁同步电动机永磁同步电动机（ Perm

32、anet Magnet Synchronous Motor，简称 PMSM ）与感应电动机不同，永磁同步电动机不需要无功励磁电流，可以明显的提高功率因素，并减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有过多的因运行时电阻损耗，进而降低了由于电流产生的损耗，降低了温度的产生，可以降低风扇的安装或彻底去掉风扇，从而提高了永磁同步电机的效率。永磁同步电动机要保持比较高运行效率及输出功率因素，只需要15%120%较大范围内就可以了，如果在负载很小的情况下，运行的效率就会更好，相同5 。永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。 它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有换向器和电

33、刷组成的机械接触结构。另外，它采用永磁体转子，没有励磁损耗；发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可在每分钟以高达几十万转的速度运行。永磁无刷直流电动机与其他电动机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动机的功率范围较小。永磁材料在受到振动，高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁想象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在

34、使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套发展的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。开关磁阻电动机开关磁阻电动机是一种新型电动机， 具有很多明显的特点： 它的结构比其他任何一种电动机都简单，在电动机的转子上没有滑环，绕组和永磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部很短，没有相间跨线，维护修理容易，6辽宁工程技术大学硕士学位论文因而可靠性好， 转速可达 15000r/min ，效率可达 85%93%开关磁阻电动机转子无永磁体，可允许较高温升。调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩 - 速度特性，而且在很广的范围内

35、保持高效率，因而，更加适合电动汽车的动力性能要求。但是，开关磁阻电动机的控制系统比其他电动机的控制系统复杂一些，位置检测器是开关磁阻电动机的关键器件，其性能对开关磁阻电动机的控制操作有重要影响。由于开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是开关磁阻电动机最主要的缺点。但近年来的研究表明，采用合理地设计，制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。另外，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率变换器的直流电流波动也较大，所以在直线母线上需要装置一个很大的滤波电容器。近年来，开关词组电动机在电动汽车上得到一定的应用。1.5永磁同步电动机的多种控制策略永磁同步电动机的

36、特点是转速与电源频率的严格同步， 采用变压变频来实现调速。目前，永磁同步电动机采用的控制策略主要有恒压频比控制，矢量控制，直接转矩控制等。恒压频比控制恒压频比控制是一种开环控制。根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压 uOUT 进行控制，使电动机以一定的转速运转。在一些动态性能要求不高的场所，由于开环变压变频控制方式简单，至今仍普遍用于一般的调速系统中，但因其依据电动机的稳态模型，无法获得理想的动态控制性能，因此必须依据电动机的动态数学模型。永磁同步电动机的动态数学模型为非线性，多变量，它含有m 与 id 或 iq 的乘积项，因此要得到精确的动态控制性能，必须对m 与 id

37、或 iq 解耦。近年来，研究各种非线性控制器用于解决永磁同步电动机的非线性特性。矢量控制高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电动机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案。矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上模拟直流电动机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置（频率/ 相位）的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对id，iq 的控制。由于定子侧的物理量都是交流量，其空

38、间矢量在空间以同步转速旋转，因此调节，控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制，而且对电动机参数的依赖性很大，难以保证完全7辽宁工程技术大学硕士学位论文解耦，使控制效果大打折扣。直接转矩控制矢量控制因其复杂的矢量旋转变换，而且电动机的机械常数，所以不能迅速的响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这一缺点，德国学者Depenbrock于 20 世纪 80 年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案，即直接转矩控制（ DTC ）。该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响

39、应快等优点。1.6本论文的的主要工作及安排主要研究工作本文从介绍电动汽车不同电机开始研究，分析了永磁同步电机的结构，建立数学模型，研究了 PMSM DTC 的控制系统并仿真。进一步研究了基于 SVM 的技术控制技术， 分析其原 理，从而 比较出更好 的控制 系统。设计 出了 TMS 320F2812 控制系统的硬件部分和软件部分。论文安排第一章：绪论部分，简单介绍了电动汽车的 PMSM 电机的背景及意义，并比较分析多种电动机的结构，原理及性能。第二章：提出了 PMSM 的 DTC 的研究，建立模型，并通过 MATLAB 仿真。第三章：通过研究传统的DTC 的缺点，提出基于SVM 的 SVPWM

40、 控制技术，并通过 MATLAB 仿真。第四章：提出了 TMS 320F2812 DSP 控制系统设计，通过从硬件部分和软件部分的设计，分析，得出改进后系统更稳定。第五章：对本文工作的总结及展望电动汽车 PMSM 系统研究本章选择永磁同步电机 PMSM 作为研究的对象，通过分析其结构和特点，并建立数学模型，选择了直接转矩控制 DTC 作为主要的研究控制方式，对定子磁链和电磁转矩进行估算和滞环控制，进行了 MATLAB 仿真。8辽宁工程技术大学硕士学位论文2.1永磁同步电机永磁同步电机（ Permanent Magnet Synchronous Motor：PMSM ）具有高效率，第转矩脉动，高

41、动态性能和高能量密度等特点，现已广泛应用于大范围的调速和定位系统中，永磁同步电机虽然其转子为永磁体， 同时由于以功率开关器件取代了直流电机中的电刷和换向器，因此维护和耐环境方面要优于直流电机，只在逐渐取代过去需要使用直流电机的场合。永磁同步电动机的发展得益于电力电子技术的发展，电力电子技术是弱点与强电之间的桥梁。 20 世纪 80 年代，由于钕铁硼永磁材料的产生和发展，促进了永磁同步电动机的广泛应用。目前，永磁同步电动机正向大功率化和微型化方向发展。永磁同步电动机的结构和特点永磁同步电动机中用永磁体替代普通同步电动机转子中的励磁同步绕组，不需要转子绕组，从而省略掉了励磁线圈以及供应励磁绕组励磁

42、电流的外部电源，电刷以及安装在转子轴上的滑环，也免去了对电刷的定期维护6-8 。同传统电动机一致，永磁同步电动机本体由定子和转子两大部分组成。定子与普通感应电动机基本相同，主要由冲有槽孔的硅钢片，三相绕组，机壳及端盖等部分组成。转子用永磁材料制成无明显磁极的隐极式，采用适当的几何结构，使磁势波形的空间分布接近正弦波。与感应电动机类似，多相绕组在空间上均匀地分布，在其绕组中通入对称交流电时，将在气隙中产生以同步转速旋转的圆形磁场。当转子以同步转速与定子产生的气隙磁场相同方向旋转时，定，转子产生的气隙磁场之间无相对速度，在空间上互差某电角度（称为功率角）。这两个相对静止的气隙磁场相互作用，将产生电

43、磁转矩，并拖动转子以同步转速。当改变定子电流时，定子气隙磁场将发生变化，而会改变电磁转矩，达到调节转速，带不同负载的目的。因此，在永磁同步电动机中进行机电能量转换的为定子电枢。同时，永磁同步电动机由于主磁极在转子上，所以属于旋转磁极式同步电动机。通过分析可知，永磁同步电动机的转子只能以同步转速旋转，否则定，转子分别产生的气隙磁场之间将会有相对速度，无法进行机电能量转换。按照永磁体在电动机转子上的安装位置，永磁同步电动机根据转子结构可以分为三类：面贴式，插入式和内嵌式。如下图。永磁同步电动机转子的结构和的安装方法对电动机的性能影响很大，因此，面贴式，插入式和内嵌式的永磁同步电动机各有其优缺点。9

44、辽宁工程技术大学硕士学位论文(a)面贴式(b)插入式(c)内嵌式图 2.1PMSM 转子结构分类面贴式永磁同步电动机结构简单，制造方便，转动惯量小，在工业上得到广泛应用 9 。另外，这种类型的电动机易于优化设计，可将气隙磁链设计成近似正弦分布，从而减少磁场谐波及其负面效应，提高了电动机的运动性能。插入式永磁同步电动机，可以充分利用转子磁路结构不对称所产生的磁阻转矩，提高点冻结的功率密度，使得电动机的动态性能较面贴式有所改善，制造也较方便，缺点是漏磁系数和制造成本较面贴式都大。内嵌式永磁同步电动机的永磁体位于转子内部，因为永磁体嵌入转子中，永磁体去磁的危险性小，其缺点是转子漏磁系数最大。虽然不同

45、的永磁同步电动机转子结构差别很大， 但由于永磁材料的使用， 永磁同步电动机具有如下共同特点 10 ：(1)电动机电磁转矩波动小，转速平稳，动态响应快，过载能力强。当永磁同步电动机的负载转矩发生变化时，仅使电动机的功角适当变化，而转速维持在原来的同步转速不变，转动部分的转动惯量不会影响电动机转矩的快速响应。永磁同步电动机的瞬间最大转矩可以达到额定转矩的 3 倍以上，使得永磁同步电动机非常适合在负载转矩变化较大的工况下运行。(2)高功率因素，高效率。永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，所以能够得到比异步电动机高很多的功率因素，进而得到相对更小的定子电流和定子铜耗，并且永磁同步电动机

46、在稳态运行时没有转子铜耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇，从而减小相应的风摩损耗，使它的效率比同规格的异步电动机提高 28 个百分点。(3)体积小，重量轻。近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电动机的功率密度得到了很大提高，与同容量的异步电动机相比，体积和重量都有较大的减少，使其适合应用在很多特殊场合。(4)结构多样化， 应用范围广， 永磁同步电动机由于转子结构的多样化，产生了特点和性能各异的许多品种。从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航天航空，从简单的电动工具到高科技产品，机会无所不在。(5)可靠性高。与直流电动机和电励磁同步电动机比，没有电刷，结构简单，系统

47、的可靠性自然得以提高。10辽宁工程技术大学硕士学位论文永磁同步电动机的数学模型在分析永磁同步电动机的数学模型时，为了使分析简化，做如下假设11-12 ：(1) 电动机的定子绕组 Y 连接，绕组电流为对称的三相正弦波电流；(2)(3)定子磁场呈正弦分布，不考虑谐波与饱和的影响；忽略电动机的涡流和磁滞损耗。在上述假设的基础上，建立永磁同步电动机在不同坐标系下的数学模型时，个坐标系的相互关系，如下图图 2.2PMSM 坐标系的关系两相静止坐标系中的 轴与三相静止坐标系 ABC 中的 A 轴重合；两相旋转坐标系以转子角速度 r 在旋转， d 轴指向转子磁链 f 的方向；xy 坐标系以定子磁链角速度 e

48、 旋转， x 轴指向定子磁链 s 的方向。 d 轴与 A 轴的夹角为 r，为电动机定，转子磁链矢量 s 与 f 之间的夹角，即电动机的功角。(1)电动机在三相静止坐标系中的数学模型在定子三相静止坐标系 ABC 中，忽略定子绕组，其电压和磁链矢量可以分别表示为式（ 2.1）和式（ 2.2）。uaRa00iaaub0Rb0ibp buc00Rcicc2.1 ）式中， p 为微分算法（ p=d/dt）， ua，ub，uc 分别为 A,B,C 三相定子电压， ia，ib，ic 分别为 A，B， C 三相定子电流，由于定子三相绕组完全对称，则定子三11辽宁工程技术大学硕士学位论文相绕组的电阻 Ra=Rb

49、=Rc=Rs， a，b，c 为 A， B， C 各相绕组的磁链。aL aM abM aci ara ( r )bM baL bM bci brb ( r )cM caM cbL ci crc ( r )2.2 ）式中， r=r t， r 为转子角速度， ra（ r）,rb（ r），rc（r）分别表示转子磁链在 A，B，C 三相绕组中产生的交链。 定子三相绕组的自感 La=L b=L c=L s,ab acbcbacacbs.=M =M =M=M =M =M转子永磁体产生的主磁通与A，B，C 相定子绕组交链磁链和转子磁极的位置有关。转子磁链在气隙中的分布呈正弦形，用r 表示以 A 相定子绕组为基

50、准往电动机旋转方向取得转子磁极的角度，那么转子磁链在各相绕组中的交链可以表示为ra (r )cos(r )rb (r )f cos(r2/ 3)rc(r )cos(r2/ 3)2.3 ）由于通入三相绕组中的电流是对称的， 因此存在 ia+ib+ic=0. 把此条件代入（式 2.1 ）可得uaRs00iasin(r )ub0R pL0ibr fsin(r2/ 3)suc00RpL icsin(r2/ 3)s2.4 ）式中， L=L s-M s，L s是三相绕组的自感， M s 是三相绕组互感。(2)电动机在两相旋转坐标系下的模型建立 dq 坐标系下的数学模型，目的是为了得到定子电压，电流均为直流

51、的永磁同步电动机的电压方程式，对分析永磁同步电动机控制系统的稳定性和动态特性都十分方便。电压回路方程可以表示为uRpLLq rid0dsduLRpLir fd rqq1qs12辽宁工程技术大学硕士学位论文2.5 ）假设电动机时线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞，涡流耗损，转子无阻尼绕组，那么，在两相旋转坐标系中，定子磁链方程可以表示为dLd0i d10Lqi qfq0（2.6 ）转矩方程3n ( i- i )（2.7 ）T =epd qqd2电动机的运动方程为TeTLJd rB rdt（2.8 ）(3)电动机在两相静止坐标系下的模型dq 坐标为了简便，直接根据坐标变换理论，把永磁同步电动机在

52、两相旋转系 dq 下的数学模型转换到两相静止坐标系下，得到如下电压方程式：uRspLdr (LdL q)isin ru(LdLq)RspLq(Ld Lq )( r id ) rficos r2.9 ）同样可得到电动机在坐标系下的磁链方程为icosLq( LdLq)idfisinr（2.10 ）r在两相静止坐标系 下，根据定子回路的电压平衡方程式， ，可对电压求积分得到(u R i)s2.11 ）(us)R idt13辽宁工程技术大学硕士学位论文2.12 ）电磁转矩为：T3i )ep22.13 ）(4)电动机在磁场旋转坐标系中的数学模型xy 磁场旋转坐标系也属于解耦的 dq 旋转坐标系，变换原理

53、和形式与 dq 坐标系相似， x 轴与 d 轴之间的夹角 。 xy 坐标系与 dq 坐标系之间的转变公式如式所示idcossinixiqsincosiy2.14 ）式中的变换矩阵也适用于电压，磁链矢量。xy 坐标系下的磁链计算式为xLd cos2Lq sin 2Ld sin cosLq sin cosi xcosLd sin cosLq sin cosLd sin2Lq cos2i yfysin2.15 ）由于 y=0，所以由式可得2 x sin( LdLq) ( Ld Lq) cos2 iyi x(LdLq) sin22.16 ）因为 x=y，所以根据式可得：i y1( Lq Ld ) si

54、n 2 2 fLq sin2L dLq2.17 ）将电流 id，iq 由坐标变换到电流ix，iy，代入式 6.7. 可得在 xy 坐标系中的电磁14辽宁工程技术大学硕士学位论文转矩表达式：3npsTe 2 fLq sin(LqLd ) sin(2 )4LqLd2.18 ）对于隐极式永磁同步电动机来讲，由于L d=L q=L s，所以转矩的表达式又可写成Te 2 3nps f sin3nps f sin( sr0)（ 2.19 ）4L s2Ls在上式中 sr 为定子磁链相对于转子磁链旋转角速度，0 为转矩角变化前一时刻的初值。由上式可知，当定子磁链保持幅值恒定，转矩角从-90 变化到 90时，电

55、动机转矩随着转矩角增大而增大，且转矩角为90时，转矩达到最大。2.2直接转矩控制实现从上式可以得到，当定子磁链大小保持不变时，电动机的电磁链转矩是随着转矩角的变化而变化的。因此可以调节转矩角 来对电动机的电磁转矩进行控制。角虽然不能直接调节。 这是因为定子电磁时间常数比转子的机械时间常数小，所以当迅速改变定子磁链旋转方向时，转子转速的变化滞后于定子磁链的旋转速度，进而达到改变角的目的。要使定子磁链迅速改变方向，可根据需要选择基本电压矢量中的一个施加给逆变器驱动电动机，从而实现对角的控制。综上所述，永磁同步电动机直接转矩控制的理论基础为：通过控制定子磁链幅值保持恒定， 改变定子磁链的旋转速度和方

56、向来瞬时调整转矩角，就能够实现电磁转矩的动态控制，这也是直接转矩控制的基本思想。永磁同步电动机直接转矩控制系统的结构框图如下图。控制系统将电动机给定转速和实际转速的误差PI 调节器输出给定转矩信号，磁链和电磁转矩的估算值电压和逆变器的开关信号以及逆变器电流，在根据电动机在坐标系中的数学模型计算而得；根据计算出的磁链分量，可以判断出定子磁链所在的区段。把定子磁链的给定值和估算值进行比较，并经过滞环比较器后，信号输入电压矢量查询表，再把定子磁链矢量所在的区段号输入电压矢量查询表。通过事先设定好的电压矢量查询表，确定出适当的开关状态，控制逆变器进而驱动永磁同步电动机 12 。15辽宁工程技术大学硕士

57、学位论文图 2.3 永磁同步电动机直接转矩控制框图定子磁链的估算和滞环控制关于定子磁链幅值的估算方法和电压矢量对定子磁链的作用，介绍定子磁链的位置角估算方法和磁链滞环控制。(1)定子磁链位置角的检测根据电压模型法计算求得的s 的幅值，求出两相坐标系中 的分量，s，那么 s 的位置角可以按照下式求得：sarctan(s)s2.20 ）根 据 的 值 ， 可 以 判 断 某 一 时 刻 定 子 磁 链 矢 量 所 在 的 区 域 nn=1,2,3,4,5,6, ）。(2)定子磁链的滞环控制如图中总共有3 个圆，图中的虚线圆表示*；两个实线圆之间s 给定值 | s的折线表示定子磁链幅值的实际值，用|

58、s，| s表示，两个实线圆的半径差2| s 能满足如下关系：| |即允许的误差范围。在运行中，要求定子磁链|*s|*（）| s|-|s| |s|+ |s2.21|16辽宁工程技术大学硕士学位论文图 2.4 电压空间矢量对定子磁链的滞环控制按照要求，选取欠当的基本电压矢量，控制定子磁链幅值在一定的容差范13-14 。围内波动。这样，在容差范围内定子磁链幅值形成的轨迹就是磁链圆轨迹| s的滞环控制过程中，对|*|与 s进行比较作差。当|s* s，即实际ss| |- | |值比给定值大，此时滞环控制器输出=0，表示要求减小定子磁链的幅值；当*s| s ，即实际值比给定值小，此时滞环控制输出 ，表示要

59、求增大| s|-|=1定子磁链的幅值。电磁转矩的估算与滞环控制在永磁同步电动机直接转矩控制过程中，要实现对电磁转矩的控制，首先要知道电磁转矩的反馈值，以目前的技术水平，直接测量电磁转矩是比较困难的，为此需要采用间接法求取电磁转矩。可以采用公式计算法求得电磁转矩的反馈值，即估算值，然后把电磁转矩的估算值与给定值送入滞环比较器进行滞环比较，控制电磁转矩在允许的误差范围内波动。(1)电磁转矩的观测模型按照上式（ 2.7 ）在控制系统中，电磁转矩幅值的计算模型如图17辽宁工程技术大学硕士学位论文图 2.5 电磁转矩观测模型(2)电磁转矩的滞环控制采用滞环控制器来实现对电磁转矩的调节。此方法要把电磁转矩

60、给定值 T e* 与估算值 Te 进行比较作差。系统中电磁转换滞环控制器的滞环宽度设定为2 |Te，即误差允许的范围。当e* e 时，滞环控制器的输出为，即e|T -T|Te=-1估算值比给定值大，表示要求减小电磁转矩；当T e*-T* e 时，滞环控制器|T的输出为 =1，即估算值比给定值小，表示要求增大电磁转矩；当滞环控制器输出 =0 时，表示电磁转矩的估算值与给定值的偏差在系统允许范围内， 不需要对电磁转矩进行增大或减小的控制。开关表的研究在永磁同步电动机直接转矩控制系统中，当定子磁链矢量处于不同的区域时，可以根据定子磁链和电磁转矩的误差状态来选择不同的电压空间矢量对逆变器进行控制 15