毕业论文-基于转矩变结构控制的电动汽车PMSM控制系统设计

湖南大学毕业设计（论文)湖南大学毕业设计(论文)第页第一章绪论1.1课题的研究背景与意义近年来，随着各国政府对环境、资源问题的高度重视以及人们环保意识的增强，各国政府对电动汽车的研发投入越来越多，人们对于电动汽车的需求量也越来越大[1-3]。电动汽车高性能驱动系统是电动汽车的关键部件，目前已成为该领域热门研究课题。永磁同步电动机系统具有控制精度高、转矩密度大、转矩平稳性好以及噪声低的优点。通过合理设计永磁磁路能使其具有较好的弱磁性能,扩大其调速范围。上述特点使得永磁同步电机成为电动汽车用驱动电机的研究热点[4]。日本的TakayukiMizuno教授等对电动汽车用永磁同步电机作了大量相关工作[5]，在国内，武汉理工大学对永磁同步电机的研究较有特色[6]。20世纪80年代中期，德国学者M.Depenbrock教授首次提出直接转矩控制理论[7]。一经提出，就以其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的动、静态特性受到各国学者的普遍关注，他们在理论探讨和实验研究上都做了大量的工作，提出了多种的控制方案。德国采用的是六边形磁链控制方案，侧重于大功率领域的运用。日本学者I.Takahashi教授提出近似圆形磁链的控制方案，专注于中小功率高性能调速领域的研究[8-9]。美国学者T.G.Habetler主要致力于将直接转矩控制技术应用到电动汽车牵引中，他的研究重点放在如何在全速度范围内有效控制转矩，他提出的无差拍预测控制法克服了”Bang-Bang”控制开关频率可变的缺点。在我国，太原科技大学韩如成教授对直接转矩控制进行了相关理论及应用研究[10]。变结构控制出现于20世纪50年代,由前苏联学者伊迈亚诺夫(Emelyanov)[11]和乌特金(Utkin)[12-13]提出。经历了50余年的发展,已形成了一个相对独立的研究分支,成为自动控制系统的一种一般的设计方法。80年代以来,变结构控制理论研究和实际应用进入了一个新的阶段。表现在研究对象更为广泛，系统复杂度更高。同时,智能控制也被应用于滑模变结构控制系统的设计中。北京航空航天大学的刘金琨教授以及清华大学的孙富春教授对滑模变结构理论做了大量的工作[14-15]。滑模变结构理论在电机调速领域的早期应用主要在直流电机驱动系统。在交流电机调速领域的应用主要集中在外环的速度、位置等物理量的控制；由于其复杂性，在内环转矩与磁链调节方面的应用并不多。在国内，浙江大学的贾洪平博士对滑模变结构转矩控制作了较为深入相关工作。因此，研究永磁同步电机DTC先进控制策略，改善电机转矩控制性能，具有重大的理论意义与实用价值。1.2国内外电动汽车的发展在1837年，由英国人罗伯特·戴维森用一次电池作动力发明的电动汽车，并没有列入国际的确认范围。世界上第一辆电动汽车于1881年诞生，发明人为法国工程师古斯塔夫·特鲁夫，这是一辆用铅酸电池为动力的三轮车。在1900年，美国公路上38%是电动车，22%是汽油车，40%是蒸汽机车。足可见得电动汽车历史之悠久。但由于其比能量低导致的续航能力差等问题，它在历史的潮流中被内燃机汽车所淘汰。而在21世纪以来，由于能源短缺、环境污染等问题，电动汽车再一次走到台前，不仅成为了环保主义者严重的救世主，也成为了各国相继投入巨额研发资金的香饽饽。2014年，全球电动车销量已突破30万大关，销量靠前的有日本日产汽车公司推出的聆风电动汽车、日本三菱公司推出的欧蓝德电动车、特斯拉公司推出的特斯拉ModelS电动车、通用公司推出的沃蓝达电动车等。我们可以看到，日本与美国在电动车产业化上走在世界的前列。中国新能源汽车品牌突飞猛进，在国际电动车市场越来越有存在感，比亚迪汽车公司推出的比亚迪秦电动车销量达14747辆。此外吉利、众泰和北汽均有不俗表现。中国电动汽车重大科技项目的研发开始于2001年，经过两个五年计划的科技攻关以及奥运、世博、“十城千辆”示范平台的应用拉动，中国电动汽车从无到有，技术处于持续进步状态，建立起了具有自主知识产权的电动汽车全产业链技术体系。在“十二五”规划纲要中，新能源汽车被列为战略性新兴产业，提出插电式混合动力车、纯电动汽车以及燃料电池汽车共同发展，并使其商业化程度提高，真正为人民造福，未来中国电动汽车将迎来新一轮的高速发展。由于电动汽车配套设施的建设无法跟上等问题，电动汽车的产业化发展收到了一定的制约，传统能源汽车仍然占据市场的绝对主导地位。1.3直接转矩控制技术的发展直接转矩控制是继矢量控制技术够发展起来的又一新型电机控制技术，由于其控制思想明晰，转矩控制性能优良等特点，在电动汽车应用等方面已经取代了矢量控制技术。在于智能控制技术以及DSP技术相结合后，其具有了更为广泛的应用价值。与矢量控制技术相比，DTC技术主要有有以下特点[16]：（1）它将交流电机的数学模型变换到定子静止坐标系下进行分析，无需简化数学模型。直接转矩控制强调对电动机的转矩实际控制效果，不再将关注重点放在电流与磁链的控制效果上。（2）直接转矩控制磁场定向采用定子磁链，利用定子电阻就可以观测出来。矢量控制磁场定向采用转子磁链，需同时知道电机的转子电阻和电感才能观测出转子磁链。由于转子电阻与电感参数会随外界环境而变化，较少参数有利于控制的优化。（3）与矢量控制不同，直接转矩控制关注转矩的实际控制效果，而并不关注磁链来是否是光滑的圆形磁链。它把转矩检测值与转矩给定做滞环比较，把转矩波动限制在一定的范围内，波动范围由转矩调节器控制。（4）借助于离散的两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，没有通常的PWM信号发生器。1.4引入离散空间电压调制的直接转矩控制D.Casadei等人利用离散空间矢量调制技术减小了异步电机直接转矩控制系统转矩脉动。原理是增加一个控制周期中所发电压矢量个数，即可增加电动机的控制次数，从而减小转矩脉动。它采用逆变器输出的六个工作电压矢量和两个零矢量，以离线方式及一定占空比合成输出离散空间电压矢量。西安交通大学的王斌博士提出了提出一种基于空间电压矢量调制的表贴式永磁同步电机直接转矩控制方法。通过计算在一个控制周期内能同时补偿转矩误差和磁链误差的空间电压矢量，得出基于磁链与转矩的无差拍控制方法。相对于传统的永磁同步电机直接转矩控制方法，该方法能够明显减小磁链与转矩脉动，并且保持了传统直接转矩控制中转矩动态响应快的优点。不同于传统的永磁同步电机直接转矩控制方法，该方法由于使用了空间电压矢量调制，系统在不同工况下具有恒定的开关频率[17]。1.5利用滑模变结构控制改进的直接转矩控制技术变结构控制常称滑模变结构控制，其本质上是一类特殊的非线性控制。其非线性表现在控制的不连续。此控制策略的特殊之处在于系统结构并不固定，在控制过程中，根据实时状态，系统结构有目的的不断变化，迫使系统按照预定滑模面运动。20世纪50年代，前苏联学者伊迈亚诺夫(Emelyanov)和乌特金(Utkin)提出了变结构控制的概念，基本研究对象为二阶线性系统。1962-1970年间，各学者开始研究高阶线性系统，但仍受限于单输入单输出系统。1977年，V.I.Utkin发表了一篇有关变结构方面的综述文章[15]，提出了变结构控制与滑模控制的方法。此后，各国学者研究滑模变结构控制的兴趣逐渐增加，开始研究多维滑模变结构控制系统和多维滑动模态，对滑模变结构控制系统的研究由规范空间扩展到更一般的状态空间中[18-20]。用传统变结构控制理论设计多输入对象的变结构控制器时，会导致求解高阶联立不等式组，一般不能得到解析解，无法求出控制器。为克服这一困难，我国的高为炳院士提出了“趋近律”方法。这一方法可将传统方法中求解高阶不等式组的问题简化为求解一个简单的代数方程，并通过适当选取方程中的函数和参数，可得到各种不同控制性能的变结构控制器。这一方法从全新的途径解决了多变量系统变结构控制器的设计问题，简明有效，易于设计，且可推广到多种类型的复杂系统，并提供了削弱系统抖振，保证控制过程品质的有效手段，成为变结构控制器设计的一种新的基本途径[21]。浙江大学的贾洪平博士提出了一种基于滑模变结构理论的永磁同步电机直接转矩控制。仿真研究表明，这种新型控制策略极大地减小了传统直接转矩控制中因滞环调节造成的磁链与转矩脉动。同时，又保持了直接转矩控制具有的转矩响应快、鲁棒性强等优点[22]。1.6本文主要研究内容本课题旨在设计和研究一种基于高性能DSP的PMSM变结构DTC系统，针对传统DTC存在的转矩脉动问题提出转矩滑模变结构控制方法，在完成系统总体控制策略设计的基础上，进行相应的硬件电路及软件的设计，并进行相关实验，实验结果表明PMSM变结构DTC系统达到既定的研究目标，基本能够满足小型电动车辆电机控制的需要。论文的具体内容安排如下：第一章为绪论，首先介绍电动汽车永磁同步电机DTC驱动控制系统的研究背景及意义，其次介绍国内外电动汽车的发展，然后介绍永磁同步电机DTC技术的发展现状，最后详细阐述利用空间矢量调制以及滑模变结构控制改进永磁同步电机DTC。第二章首先介绍永磁同步电机动态数学模型，其次详细阐述传统DTC系统的基本原理以及转矩控制系统，分析传统永磁同步电机DTC存在转矩脉动的原因。重点研究转矩滑模变结构控制器的设计方法，从滑模面的选取、控制律的设计以及抖振的消除三个方面进行详细的阐述，分析转矩滑模控制器对转矩脉动的改善。第三章在Matlab/Simulink仿真软件下分别对传统永磁同步电机DTC系统和永磁同步电机转矩滑模变结构DTC系统进行仿真，对比分析两种系统的仿真结果，验证转矩滑模变结构控制方法的正确性。第四章对基于转矩滑变结构控制的永磁同步电机DTC控制系统的硬件电路和软件进行设计,采用TI公司的高性能DSP-MS320F28335为主控制芯片详细阐述系统的硬件设计和软件设计。在建立的基于转矩滑变结构控制的电动汽车永磁同步电机DTC系统的实验平台，在实验平台上进行相关的实验研究，并对实验结果进行分析，得出结论。最后，对全文研究内容进行总结并展望。第二章永磁同步电机滑模变结构DTC基本原理本章将研究永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制的基本原理，重点分析永磁同步电机的数学模型及其坐标变换，分析传统DTC控制器的基本原理及其转矩脉动原因，最后将阐明滑模变结构数学模型并构造滑模变结构控制律。2.1传统永磁同步电机DTC控制2.1.1永磁同步电机数学模型(1)式中——d、q轴电压——d、q轴电流——d、q轴电感——定子电阻——永磁体磁链——转子电角速度——微分算子将式（1）进行坐标变换(2)可得坐标系中的电压方程(3)式中——坐标系中的变量——坐标系中的变量——轴与轴的夹角记式(3)加号后部分为扩展反电势，记为：(4)将式（3）用状态方程表示，有(5)坐标系中定子磁链方程为：(6)电磁转矩方程为：(7)式中p——极对数磁链幅值平方为：(8)2.1.2传统DTC基本原理传统正弦波永磁同步电机DTC需要对电机磁链幅值和转矩进行闭环调节。在1997年首次提出的方案中，磁链和转矩调节器如下所示[23-25]：(9)(10)式中——定子磁链幅值给定——实际磁链幅值——磁链调节器输出(值为1选择增加磁链幅值的空间电压矢量，值为0选择减小磁链幅值的空间电压矢量。)——转矩给定值——实际转矩值——转矩调节器输出(值为1选择增加转矩的空间电压矢量，值为-1选择减小转矩的空间电压矢量。)根据不同磁链和转矩调节器输出结果，扇区判断结果得出各空间电压矢量。根据得到的各空间电压矢量来构建空间电压矢量选择表。空间电压矢量表如下：表2.1空间电压矢量表11-101-1在应用时，则根据磁链和转矩调节器输出结果和扇区判断结果反向查询空间电压矢量选择表即可确定所需要的空间电压矢量。永磁同步电机传统DTC控制框图如下图所示：图2.1永磁同步电机传统DTC框图2.1.3传统DTC转矩脉动分析直接转矩控制低速性能不佳的主要原因有以下三个[26]：(1)电机低速运行时，传统的磁链观测方法难以准确观测定子磁链，导致空间电压矢量的选择不准，影响转矩的实际控制效果。(2)传统空间电矢量开关选择表引起的电流品质下降，滞环控制器所固有的滞环特性都会影响转矩控制效果。(3)低速时，速度检测器的相对误差变大，影响系统性能。对采用开关选择表引起的转矩脉动进行分析。直接转矩控制在每一个开关周期内选择最优的空间矢量，且其作用时间以控制周期为单位。此方法可以使系统动态性能更优良，但当电动机低速运行时，此方法会使得电动机转矩的脉动变得十分严重。要进一步提高DTC的低速性能，必须优化开关选择模式，或者对传统的定子磁链和转矩的控制方案进行变革。2.2转矩滑模变结构控制器的设计2.2.1滑模变结构理论变结构控制常称滑模变结构控制。变结构控制常称滑模变结构控制，其本质上是一类特殊的非线性控制。其非线性表现在控制的不连续。此控制策略的特殊之处在于系统结构并不固定，在控制过程中，根据实时状态，系统结构有目的的不断变化，在一定特性下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，即所谓的“滑模运动”。滑动轨迹是可设计的，与系统参数及扰动无关，所以系统会具有较好的稳定性。滑动模态定义及其数学表达如下：在一般情况下，在系统(11)的状态空间中，有一个超曲面，如下图所示图2.2滑模面示意图状态空间被分为上半部分，下半部分。在切换面上的运动点有三种情况：运动到切换面附近时，穿越该点而过(点A)——通常点；运动到切换面附近时，由该点向切换面两边离开(点B)——起始点；运动到切换面附近时，由切换面两边趋向于该点(点C)——终止点。在滑模变结构控制中，若切换面上某区域内所有点都是终止点，则该区域将吸引所有靠近该区域的系统运动点，并迫使其到该区域内运动。该区域称为“滑模动态区”，常称“滑模区”。系统在滑模区中的运动就叫做“滑模运动”。根据滑动模态区内均为终止点这一条件，当运动点运动到切换面附近时，必有及(12)或者(13)将式(11)写成(14)此不等式给出了一个形如(15)的李亚普洛夫函数的必要条件。由于函数式(13)在切换面邻域内是正定的，按照式(12)，的导数是负半定的，也就是说在附近函数是一个非增。如果式(12)成立，则式(13)是一个李亚普洛夫函数，系统稳定于条件。滑动模态变结构控制的基本问题在于确定切换函数，则设有一控制(16)求解控制函数(17)其中，，使得：式(15)成立，则滑动模态存在；在切换面以外的运动点都将于有限的时间内到达切换面，即满足可达性；滑模运动的鲁棒性及控制系统的动态品质得到保证；2.2.2控制律分析与设计滑模控制器设计一般分为两个步骤：设计切换函数，即确定切换面，验证其存在性。根据可达性要求、稳定性要求及动态品质要求求取控制律，最终获得理想的滑模控制器。本文基于指数趋近律设计滑模变结构控制器。采用连续函数替代开关函数来减小滑模切换时的高频抖动。滑模变结构控器的运行过程是通过判别切换函数S符号，不断切换控制量并由此改变系统结构，从而使得状态变量运动到事先设计好的滑模面上，然后系统沿滑模面面运动。永磁同步电机滑模变结构DTC也是对磁链和转矩进行控制，定义切换函数(18)式中——转矩设定值——磁链平方设定值——实时转矩将式(16)对时间求导，可得(19)将式(7)、(8)中和带入式(17)，再结合式(5)和(6)，可得矩阵方程(20)式中,——系数矩阵——控制律系数矩阵且，其中(21)(22)取李亚普洛夫函数(23)对时间求导得(24)为保证，且滑模控制器具有良好的动态品质，所以本文选取指数趋近律设计滑模控制器，可取控制律(25)式中：、、、由此求得坐标系下电压空间矢量。将式(23)中的代入(22)，得(26)因和符号相同，故(27)同理可知(28)由此证明，从而证明了滑模面的存在性和可达性，证明了系统的可行性。系统满足和，保证了磁链和转矩能跟踪给定值。另外，将式(16)代入式(11)，可得(29)从式（20）可看出，系统在由远离切换面处趋近切换面时，越大，则趋近切换面的速度越快，能有效加快正常运动段的动态响应过程，则可选择较大的；同理，系统在靠近切换面处趋近切换面，越小，趋近切换面速度越慢，则能有效减小滑模切换引起的系统抖动，则可选择较小的。根据上述内容，证明了该滑模面的存在，保证了磁链与转矩的跟踪性能，且该滑模变结构控制器能根据切换函数距滑模切换面的距离自动调节趋近速度，有效地保证了动态响应性能，并减小滑模切换时的系统抖动。2.2.3抖振的消除滑模变结构系统的抖振本质原因是因为开关切换动作所造成控制不连续。由于离散系统的不连续性，其滑动模态只是一种“准滑动模态”。它的切换动作并不恰好发生在切换面上，而是发生在以原点为顶点的一个锥形面上。锥角越大，则抖振幅度越大。本文采用连续函数近似法解决抖振问题，采用连续函数来代替切换函数(30)其中；，若选取过小，则对减小系统抖动不利；若选取过大，则动态响应缓慢，影响系统的动态品质。故应合理选取。2.3本章小结本章从永磁同步电机传统DTC出发，介绍了永磁同步电机数学模型、永磁同步电机传统DTC基本原理以及低速转矩脉动的原因，并结合滑模变结构理论介绍了基于滑模变结构理论的DTC控制原理。第三章永磁同步电机滑模变结构DTC仿真研究本章将在上章理论分析的基础上，利用MATLAB/Simulink自带模块库建立传统DTC仿真模型，并在其基础上利用滑模变结构控制器进行改进，建立永磁同步电机滑模变结构转矩控制器。仿真平台搭建完毕后，对其进行转矩突变实验，并对结果进行分析。3.1永磁同步电机滑模变结构DTC仿真模型的建立3.1.1永磁同步电机传统DTC仿真模型图3.1永磁同步电机传统DTC仿真模型图在Simulink下，通过模块子系统封装建立模型是很简单且直接的。系统主要由强电与弱点部分组成。其中强电部分包含直流电源、永磁同步电机、逆变器和传感器，利用SimPowerSystems模型库进行搭建。系统的控制部分包含坐标变换(Clarke变换与Park变换)、磁链与转矩计算、定子磁链扇区判断、磁链和转矩调节、电压矢量开关选择表、转速PI调节等模块。下面详细控制部分各模块的结构。1．坐标变换模块在功率恒定的前提下，按照磁动势相等原理，旋转磁场能够等效转化成到两相绕组。把从坐标系到坐标系的变换，称为变换，即Clarke变换，其变换式如下：(24)表示从坐标系到坐标系的变换矩阵，则可表达为：(25)则可在SIMULINK中建立如下模块：图3.2Clarke变换模块仿真结构图本模块利用Clarke变换将三相电流转换到静止直角坐标系。从图中可得，，，即满足Clarke变换。2．磁链与转矩计算模块经变换得到两相静止坐标系下的和，根据根据计算公式，，利用得到的和计算出磁链，在SIMULINK中建立如下模块：图3.3磁链计算模块仿真结构图再根据转矩计算公式，利用静止坐标电流以及定子磁链计算电磁转矩，在SIMULINK中建立如下模块：图3.4转矩计算模块仿真结构图3．扇区判断模块将定子磁场分为六个扇区，~为第一扇区，并以此类推。根据定子磁链矢量所在扇区来判断，则在SIMULINK中建立如下模块：图3.5扇区判断模块仿真结构图4．磁链与转矩调节模型传统DTC系统磁链与转矩调节均采用滞环式调节，则在SIMULINK中建立如下双滞环调节模块。根据转矩与磁链给定与实时值的差值作为调节器调节器输入：图3.6磁链与转矩滞环调节模块仿真结构图5．电压矢量开关选择表模块电压矢量选择是根据转矩与磁链滞环调节器的输出信号和磁链扇区号选出合适的电压矢量。仿真采用开关表，利用矩阵实现。开关函数的以、以及磁链扇区号为输入，输出为选择的电压矢量，再经过脉冲发生函数，得到作用于逆变器的开关信号。则在SIMULINK中建立如下模块：图3.7电压矢量开关选择模块仿真结构图6．转速调节模块转速调节采用PI调节，则在SIMULINK中建立如下模型：图3.8转速调节模块仿真结构图输入为转速给定与实际转速的差值，比例增益为，积分增益为=0.1，经PI调节器得到转矩给定值。其比例控制项决定控制器的响应速度；积分控制项的作用是消去稳态误差，以达到稳态后速度无静差的控制效果。3.1.2永磁同步电机滑模变结构DTC仿真模型在永磁同步电机传统DTC模型上，将PI模块换为SMC模块再加上SVPWM模块即可构成永磁同步电机滑变结构DTC仿真模型。图3.9永磁同步电机滑模变结构DTC仿真模型图1．滑模变结构模块SMC模块利用S函数编写模块，代码如下：functionsys=mdlOutputs(t,x,f)r=t;dr=0;ddr=0;x(1)=f(1);x(2)=f(2);e=r-x(1);de=-x(r-x(1)2);b=1732.0272;a=0.4795;c=250;k=5;if(abs(r-x(1))>=1)ep=10;elseif(abs(r-x(1))>=0.01&&abs(r-x(1))<1)ep=10*abs(r-x(1));elseif(abs(r-x(1))<0.01)ep=0.5;ends=de+c*e;slaw=-ep*abs(r-x(1))*sign(s)-k*s;M=2;ifM==2ut=1/b*(c*(dr-x(2))+ddr-slaw+a*x(2));endsys(1)=ut;其工作方式为，根据滑模变结构控制器模型求出滑模面s=de+c*e，再根据位置误差e=r-x(1)求得滑模增益ep，最后结合滑模面方程与滑模增益求得其输出补偿。2．SVPWM模块由上述滑模变结构控制器求得修正后的转矩值，再结合所在扇区及实时磁链值求得修正后的。得到后，利用SVPWM模块生成空间电压矢量。SVPWM模块如下：图3.10SVPWM模块仿真结构图该模块由四个子组成模块：扇区判断模块、电压作用时间计算模块、切换时刻计算模块以及PWM信号产生模块。其子模块如下：N1为扇区判断模块图3.11SVPWM模块扇区判断子模块本子模块的作用是根据计算出参考电压所在扇区，即下一个电压空间矢量所在扇区。N2为相邻电压作用时间计算模块图3.12SVPWM模块相邻电压作用时间计算子模块本子模块的作用是根据计算出不同扇区两相邻电压的作用时间与，从而制定各开关器件的通断顺序及通断时刻。有：(26)N3为开关器件切换时刻计算模块图3.13SVPWM模块开关器件切换时刻计算子模块本子模块的作用是利用不同扇区两相邻电压的作用时间与，根据以下公式：制定各开关器件的通断顺序及通断时刻。N4为PWM信号产生模块图3.14SVPWM模块PWM信号产生子模块根据、、控制各开关器件的切换时间。3.2永磁同步电机滑模变结构DTC仿真结果分析由上述可知，本文所采用的永磁同步电机滑模变结构转矩控制系统是通过改进传统DTC控制器而来。用滑模变结构控制器取代了转速闭环中传统PI控制器。其转矩、磁链响应效果分析如下。电机运行后，在时给电机转速，让电机在空载情况下高速运行；在给电机加的负载；然后在时改变电机转速为，让电机低速运行。相关仿真图形如下：(a)传统DTC定子磁链轨迹(b)滑模变结构DTC定子磁链轨迹图3.16定子磁链轨迹比较(a)传统DTC系统转矩响应曲线(b)滑模变结构控制系统转矩响应曲线图3.17转矩响应曲线比较对比可知，传统DTC控制系统的磁链轨迹不光滑，幅值不稳定，有较为明显的磁链脉动。而滑模变结构控制系统定子磁链轨迹则较为光滑，幅值稳定，响应速度快。对比转矩响应曲线可知，由于存在转矩滞环，传统DTC转矩响应出现了严重的振荡，稳态运行时转矩脉动也较大。相比较而言，滑模变结构控制系统始终有较小的转矩脉动，响应性能得到很大的改善。以上针对电机高速和低速运行时做了转矩稳态的仿真，下面针对电机低速运行进行动态仿真，电机转速给定为，启动突加转矩为，转矩突变为，时转矩又突变为，仿真结果如下图所示：(a)低速运行时传统DTC定子磁链轨迹(b)低速运行时滑模变结构DTC定子磁链轨迹图3.18低速运行定子磁链轨迹比较(a)低速时传统DTC系统转矩响应曲线(b)低速时滑模变结构DTC控制转矩响应曲线图3.19低速运行定子转矩响应曲线比较由图对比可知，在转矩突加突减时，传统DTC响应特性较差，且转矩脉动较大，相比较而言，滑模变结构控制系统响应特性好，转矩脉动小。通过对比可知，滑模变结构控制器在具有响应速度快的优点的同时，还具有抗干扰能力强的优点。3.3本章小结本章在Simulink仿真平台下分别建立了永磁电机传统DTC系统的仿真模型和永磁同步电机滑模变结构DTC仿真模型，对模型各子模块的工作原理进行了详细分析，最后对两种直接转矩控制系统进行仿真并分析对比。由仿真结果可知，相比于永磁同步电机传统DTC，永磁同步电机滑模变结构DTC控制系统降低了电磁转矩脉动，并使得定子磁链轨迹更光滑，动态响应也变快，且在低速时仍保持良好的控制性能，结果证明了滑模变结构控制方法的正确性，并具有可行性。第四章永磁同步电机滑模变结构DTC系统的实现本章将在上章模拟仿真的基础上，搭建实验平台。对实验平台软硬件分别进行设计。本系统采用TI公司的TMS320F28335DSP做为主控器，在此基础上进行软硬件平台的搭建。4.1实验平台硬件设计永磁同步电机滑模变结构DTC控制系统硬件电路主要由五个部分组成：主电路（逆变电路）、隔离电路、检测电路（含采样电路）、控制电路、电源电路。图4.1系统总体硬件结构图由于现有IGBT集成模块功能已相当完善，不仅易于控制，而且具有过流过压保护功能。所以主电路采用了IPM集成模块。控制电路部分采用了工业级DSP控制板，具有稳定性好，可靠性高。采用这些现有的模块缩短了系统的开发时间，节约了试验经费。4.1.1主电路设计本系统采用三菱公司生产的智能功率模块PM300CVA060，外接充电电阻、滤波电容作为主电路。其拓扑结构如下[29]：图4.2主电路拓扑结构图充点电阻的主要功能是防止上电时，电容充电引起瞬间电流过大对电池组的冲击。当检测到电容两端电压超出预设值时，继电器断开，接入充点电阻。滤波电容是为了保证IPM模块获得平滑的直流电压。IPM模块内部电路图如下[30]：图4.3IPM模块内部电路图4.1.2驱动隔离电路设计于DSP输出的PWM脉冲信号高电平为3.3V，而IGBT的驱动信号为15V，所以需要加上IPM驱动电路。同时，我们还需要隔离电源，消除控制电源端共模噪声以及系统故障时可靠关断IGBT三方面能力。则本文采用快速光耦HCPL4504，电路如下：图4.4IPM模块驱动隔离电路图IPM故障时fault为低电平，驱动电路输出始终为高电平，则IPM内部IGBT在系统故障时可关断。当IPM正常工作时，PWM为高电平时驱动电路输出为低电平，IPM内部IGBT导通；PWM为低电平时驱动电路输出为高电平，IPM内部IGBT关断。4.1.3检测电路设计1.交流电流检测电路本文通过LEM霍尔电流传感器LT505-S来进行a相、b相电流采样，并通过硬件电路对、两相电流求和并取反得到。a相电流检测电路如下：图4.5交流电流检测电路图采样电阻将霍尔电流传感器输出的0~100mA交流电流信号转化为-3~+3V交流电压信号，经滤波和电平移动，得到0~3V交流电压，用于DSP采样。DDI用于钳制输出电压在0~3V间。2.直流电流检测电路在本系统中，电机线电压要参与定子磁链与转矩的辨识，但由于直接检测电机线电压有较大难度，则采用直流母线电压结合三相PWM的调制信号还原三相电压的方法实现定子线电压的检测。电路如下：图4.6直流电流检测电路图由于被测量为直流量，所以转换为电压信号后无需改变电平。3.电机转速及位置检测电路本文采用单霍尔传感器测量转速及位置。外围电路设计如下：图4.7转速与位置检测外围电路图通过高速光耦实现电压转换及电气隔离，输入到DSP编码器接口。电机霍尔信号如下：图4.8霍尔传感器工作波形图图4.9电机位置检测示意图本文采用单霍尔元件测量电平均角速度，霍尔脉冲信号为高低电平均占，若忽略安装误差，则输出的霍尔脉冲信号上升沿对应电机转子位置0，下降沿对应转子位置，则，为两次跳变间时间间隔。则，据此对位置进行预测。4.1.4最小系统设计本文采用TMS320F28335作为主控芯片，它具有以下特点[24]：1.采用高性能静态CMOS技术，工作频率高达150MHz，实时运算能力强。1.9V/1.8V内核，3.3VI/O设计，控制器的功耗得到降低。内部高性能的32位CPU(TMS320Cx)，IEEE-754单精度浮点单元(FPU)。哈佛(Harvard)总线结构。可使用C/C++和汇编语言高效编程。2.256K×16闪存，34K×16SARAM，1K×16的一次性可编程（OTP存）ROM，8K×16的支持软件引导模式和标准数学表的引导ROM。3.支持锁相环(PLL)的比率变换，具有片载振荡器，安全装置定时器模块。4.GPIO0到GPIO63引脚可以连接到八个外部内核中断其中的一个，可支持全部58个外设中断的外设中断扩展(PIE)块，128位安全密钥/锁。5.有3个32位的CPU定时器，其中定时器0与定时器1可用作一般定时器，当系统使用DSP/BIOS时，定时器2则用于DSP/BIOS的片上实时系统。若系统不使用DSP/BIOS，定时器2可用作一般定时器。6.多达18个脉宽调制(PWM)输出，6个支持150ps微边界定位(MEP)分辨率的高分辨脉宽调制模块（HRPWM）；6个事件捕捉输入，2个正交编码器接口，8个32位定时器(6个ePWM以及2个eQEP)。7.串行端口外设为2个控制器局域网(CAN)模块，3个SCI(UART)模块，2个McBSP模块（可配置为SPI），1个SPI模块，1个内部集成电路(I2C)总线。8.16通道12位模数转换器(ADC)，80ns转换时间，2x8通道输入复用器,2个采样保持，可支持单一/同步转换，可使用内部或者外部基准最小系统主要包括：外部晶振（30MHz）、DSP供电电源滤波电路、上电复位电路。其最小系统电路图如下：图4.9核心板电路图4.10仿真接口电路4.1.5电源电路设计1.检测电路供电电源图4.11检测电路供电电源电路图MDA为不可控单相整流桥，通过正负三端稳压芯片输出电压。正常工作时三端稳压芯片温度较高，需加散热片。2.最小系统供电电源由于TMS320F28335需要1.8V及3.3V电压，则采用TI公司的双固定输出电源芯片TPS70351PWP，此芯片在输入电压为2.7~6V时可稳定输出1.8~3.3V电压。图4.12最小系统供电模块3.IPM供电电源IPM模块上桥臂需要三组供电模块，下桥臂共用一组供电模块，则需要四组独立供电模块，电路图如下：图4.12IPM四路单独供电模块电路4.1.6通讯接口电路设计本文采用精简modbus通讯协议的RS485通信实现数据的传输，利用TMS320F28335的SCI接口设计带隔离的RS485接口，电路如下：图4.13RS485接口电路4.2实验平台软件设计本软件在TI公司提供的集成开发环境CodeComposerStudio下实现，该平台支持头文件、库文件、源文件调用，并可直接进行编译与调试，其界面如下：图4.14系统总体软件框图4.2.1总体软件框图系统主要分为实时控制任务与非实时控制任务。实时控制任务包括速度环、转矩与磁链环、信号检测与采样、坐标转换、PWM模块、故障检测与保护等；非实时任务主要包括通讯、模数量给定等。系统总体框图如下：图4.14系统总体软件框图上电运行后，首先对变量、对各复用引脚以及外围电路进行初始化，再完成非实时控制任务，通过ePWM中断完成实时控制任务，利用定时器0完成通讯中断任务。4.2.2主程序设计主程序流程图如下：图4.15主程序流程图其中初始化程序主要包括寄存器初始化及外围电路初始化，其程序流程图如下：图4.16初始化程序流程图4.2.3中断程序设计本系统中断程序包括ePWM中断和通讯中断，ePWM中断的主要功能是完成实时算法的运算即滑模变结构算法运算、SVPWM算法实现、坐标转换、PWM寄存器比较值的给定以及故障检测保护实现等功能；通讯中断采用RS485串行总线，协议为Modbus。1.ePWM中断程序设计图4.17ePWM中断程序2.通讯中断程序设计图4.18通讯中断程序4.3本章小结本章建立了实验平台，设计了相关软硬件。采用了TI公司的TMS320F28335DSP做为主控器，在此基础上进行软硬件平台的搭建。在硬件设计上，给出了较为完善的检测电路以及供电电路，为IPM提供了良好的硬件环境。在软件设计方面采取模块化设计，明晰了设计思路，加快了软件设计进度。第五章永磁同步电机滑模变结构DTC实验研究5.1实验平台本文设计的实验平台主要由三部分构成：DSP控制板、驱动板、感应电机。DSP控制板采用现有DSP控制板，主要包括DSP及其外围接口电路、外接LED显示屏、信号滤波处理电路等。驱动板上主要包括IPM模块，电源模块，直交流检测模块等。实验用永磁同步电机参数如下：参数额定功率额定电压定子电阻极对数减速比连接方法标定值50KW150V0.0046Ω25星形连接5.2实验平台转矩突变实验本文对该系统分别进行高、低速转矩突变实验，以测试该系统的磁链控制效果、响应快慢，转矩脉动大小。首先验证其高速运行时系统的可行性，设定转速为,负载转矩设为由突变为，运行结果如下：(a)高速运行时定子磁链与运行轨迹(b)高速运行时转矩响应曲线图4.19高速运行时转矩突变实验结果当系统高速运行时，定子磁链运行轨迹平滑，转矩脉动小，可见滑模变结构DTC控制系统是可行的，且在高速下具有相当好的稳定性。再验证其低速运行时系统的可行性，设定转速为，负载转矩设为由突变为，运行结果如下：(a)低速运行时定子磁链与运行轨迹(b)低速运行时转矩响应曲线图4.19低速运行时转矩突变实验结果与高速运行时相比较，定子磁链运行轨迹略微粗糙，转矩脉动略有加大，总体效果较为优良。则可证明在低速运行时，该系统同样具有可行性。5.3本章小结本文在搭建好的实验平台上进行了高低速两种情况下的转矩突变实验，通过定子磁链与转矩响应曲线的对比来验证滑模变结构控制器的优越性。结果证明了该永磁同步电机滑模变结构DTC控制器具有良好的动、静态性能。动态响应速度快，转矩脉动小。验证了滑模变结构DTC控制的可行性。结论与展望本文对电动汽车用永磁同步电机滑模变结构DTC驱动控制系统进行了研究，车用电机驱动控制系统要求其转矩控制快速、准确、可靠。但永磁同步电机传统DTC存在低速运行转矩脉动较大的问题。针对这个问题，本文引入了滑模变结构控制理论，对永磁同步电机滑模变结构DTC控制进行了研究，具体工作如下：本文详细阐述了电动汽车用驱动控制系统的发展历程与发展趋势，对其需改进处进行了深入且详尽的分析，并对已采用的改进方法做了概括与总结。分析了永磁同步电机传统DTC存在的低速运行转矩脉动较为严重的原因，并提出了利用滑模变结构理论改进传统DTC的方法。在Simulink仿真平台下，建立了传统DTC模型与滑模变结构DTC模型，并对其进行了模拟仿真以及对比。建立了电动汽车用永磁同步电机滑模变结构DTC控制系统仿真平台，详细阐述了各模块硬件电路的工作原理，给出了软件各模块的程序流程图，并在电机高低速状态下分别作了转矩突变实验。实验结果表明永磁同步电机滑模变结构DTC控制器具有可行性，其动态、静态性能均较好。由于学术水平、时间等方面的限制，本文有相当多不足之处，希望从以下几个方面来完善：滑模变结构控制律设计需加以改进，来解决变结构控制所固有的抖振问题，一旦解决，其在电机控制领域的应用可以更为广泛。无速度传感器技术可以大大简化硬件设计，系统可靠性加强，并可节约研究经费，应用前景十分广阔。参考文献李学兵，邱长军，王少力等.绿色汽车的研究现状与发展方向.现代机械.2005.6:76-78曹秉刚.中国电动汽车技术新进展.西安交通大学学报.2007.01张文亮，武斌等.我国纯电动汽车的发展方向及能源供给模式的探讨.\o"紫色刊名为\“中国知网\”独家出版刊物"电网技术.2009.02彭海涛，何志伟，余海阔.电动汽车用永磁同步电机的发展分析.微电机,2010.6TakayukiMizuno,YasuoYanagib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