电动汽车用永磁同步电机控制系统设计

.z.硕士学位论文电动汽车用永磁同步电机控制系统设计电动汽车用永磁同步电机控制系统设计DesignofpermanentmagnetsynchronousmotorcontrolsystemforelectricvehicleDesignofpermanentmagnetsynchronousmotorcontrolsystemforelectricvehicle作者指导教师学科专业控制工程二0一五年六月-.z.摘要本文在开场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外的开展现状，然后从电动汽车的燃油经济性，驱动性，平安性及舒适度，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缺乏。从中得出永磁同步电动机是电动汽车比拟理想的选择。本文刚开场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，并从三者之间比拟得出，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的构造及其特点，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，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PMSMDTC有着更好的稳定性。TI公司推出的TMS320F2812DSP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；SVPWMAbstractInthispaper,wefirstintroducethebackgroundandsignificanceoftheresearchofelectricvehicles,andintroducesitspresentsituationofdevelopmentathomeandabroad,andfromthefueleconomyanddriving,safetyandfort,threeaspectsanalysistheadvantagesofelectricvehiclesthanotherfuelvehiclese*ist.Asthemotorofthecoreponentsofelectricvehicles,fromthedrivemotorisdividedintofourcategories,DCbrushlessmotor,permanentmagnetsynchronousmotor,permanentmagnetbrushlessDCmotorandswitchedreluctancemotor.Thischapteranalyzestheadvantagesanddisadvantagesofthesefourmotorintheaspectsoftheworkingprincipleandperformance..ItisconcludedthatthepermanentmagnetsynchronousmotorPMSMasthecoreponentofelectricvehicle,istheidealchoiceofthemotorvehicle..Inthischapter,threedifferentcontrolmodes,constantfrequencyratiocontrol,vectorcontrolanddirecttorquecontrolofPMSMareintroduced..Andtheparisonbetweenthethree,thedirecttorquecontrolDTChasbetterthantheothertwo.Then,thestructureandcharacteristicsofPMSMareanalyzed,andtheadvantagesofPMSMPMSMareanalyzed,anditsmathematicalmodelisestablished..Accordingtothespacevectorcoordinate,themathematicalmodelofPMSMisdeducedandtheprincipleofDTCisanalyzed..Inthischapter,thestatorflu*linkageandthemagnetictorqueestimationandthehysteresiscontrolareanalyzed,andtheresearchmethodsoftheswitchingtablecontrolarestudiedbytheprinciple..TheMatlab/SimulinksimulationofthedirecttorquecontrolDTCofPMSMisdemonstrated,andtheadvantagesoftheDTCcontrolmodestabilityareproved..Secondly,thedisadvantagesofthePMSMdirecttorquecontrolDTC,theflu*linkage,thelargetorqueripple,andthepoorperformanceofthecontrolsystemareanalyzed..ThecontrolmodeofSVPWMbasedonSVMtechnologyisproposed,thatis,therealizationofthespacevectormodulationDTCcontrolstrategy..ThroughthesimulationofMatlab/Simulink,SVPWMhasbetterstabilitythanPMSM-DTC.Atlast,thedesignofthecontrolsystemofDSPTIchipisintroduced,andthedesignofthehardwarecircuitandthedesignofthesoftwarepartarestudied.Thechipisdescribedintwoaspects..DSPhardwareincludestheself-protectionofthesmartmodule,andthedetectioncircuit,protectioncircuit,drivercircuitandCANmunicationmodule.Thesoftwaresystemanalysis,anditsinitializationflowchart,receivingflowchartandsoonmanyparts.KeyWords：permanentmagnetsynchronousmotor;directtorquecontrol；DSP；SVPWM-.z.目录摘要I1.绪论11.1论文的研究背景和意义11.2电动汽车国外开展现状21.2.1电动汽车国外开展状况21.2.2电动汽车国开展现状31.3电动汽车优越性51.3.1提高燃油经济性51.3.2提高驱动性51.3.3提高平安性和舒适度51.4驱动电动机的工作原理与性能比拟61.4.1直流有刷电动机61.4.2永磁同步电动机61.4.3永磁无刷直流电动机71.4.4开关磁阻电动机71.5永磁同步电动机的多种控制策略81.5.1恒压频比控制81.5.2矢量控制81.5.3直接转矩控制81.6本论文的的主要工作及安排91.6.1主要研究工作91.6.2论文安排92.电动汽车PMSM系统研究92.1永磁同步电机92.1.1永磁同步电动机的构造和特点102.1.2永磁同步电动机的数学模型112.2直接转矩控制实现142.2.1定子磁链的估算和滞环控制152.2.2电磁转矩的估算与滞环控制162.2.3开关表的研究172.3直接转矩控制MATLAB仿真183.SVPWM研究253.1引言253.2SVM技术用于永磁同步电机的直接转矩控制253.2.2SVPWM技术研究263.2.3电压幅值研究293.2.4电压矢量的分区313.3SVPWM的MATLAB仿真324.TMS320F2812DSP控制系统的设计354.1控制系统整体设计354.2硬件电路设计364.2.1DSP最小系统设计364.2.2智能功率模块的自保护特性394.2.3检测设计电路414.3软件系统设计455.工作总结与展望505.1总结505.2展望50参考文献51-.z.1.绪论本章节开场论述了电动汽车的研究背景，意义及其开展的现状，并对传统汽车与电动汽车的燃油经济性，驱动性，平安性及舒适度进展比照，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展比拟，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拟好的选择。1.1论文的研究背景和意义[1]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，达有100种以上，尾气危害着人类生存安康，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奉献。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，如假设在晚上，给电动汽车进展充电，就可以充分的利用电能。以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拟。如图1.1图1.1各种车辆全部有害排放物的比拟由上图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防止了大噪声的发生。1.2电动汽车国外开展现状现代的电动汽车开展了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，已经得到了很大的开展，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。电动汽车国外开展状况在日本，美国，欧洲等许多兴旺国家，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场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开展。(1)日本。三菱汽车公司于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。开场初期主要卖给公司等法人单位，2010年4月开场向个人预定销售，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，所以比拟很难，但是可以认为和三菱的i-MiEV相比，能量装置和功率装置的性能应该在其2~3倍。因此，日产说“可以到达和过去的汽油车同等的快速反响和驾驶舒适性〞。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就可以将电池由0充到80%。新型汽车级公司三菱i-MiEV(2)美国。美国在很早以前就开场对电动汽车的资助，并与1976年，立法，补贴的手段刺激本国对电动汽车的开展。早在1900年美国加州已经公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。(3)欧洲。欧洲对环境污染看的很重，也对节能减排很重视，因此欧洲各国公布了相关法令，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年就开场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，就已经开场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展生产，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，给生产厂家进展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年就开场研发电动汽车，英国政府公布了很多惠明政策，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。电动汽车国开展现状国电动汽车的研究起始也比拟早，但是规模比拟小，投入也比拟少，自20世纪80年代开场，我国政府比拟重视电动汽车的开展，于是把电动汽车的研发列入国家开展方案，于是国各高校和汽车生产厂家陆续开场研究电动汽车，如清华大学，华南理工大学，东风汽车公司，都开场研究工作，但与国外电动汽车还有很大差距。幸福使者电动汽车就是**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4~6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”F3DM，F6DM是比亚迪公司于2009年初推出的双模电动轿车，在日瓦和底特律车展上一亮相，就引起国外媒体的关注，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，获得了很多国外专利。近几年，我国开场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”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场对电动汽车倾斜，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局部，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，平安性和舒适度。另外由于环境污染越来越严重，成为了不容无视的问题，因此电动汽车在未来有很多的开展空间，在很大程度上，可能代替燃油汽车的开展空间。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，就有一局部损耗在了汽车的转弯的局部，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异。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]，解决这个问题的方法是运动控制，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。提高平安性和舒适度电动汽车使用的电动机准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平安，更舒适的汽车，而传统的燃料汽车则不能实现这样的功能。通过燃料的比拟可以看出电动汽车的燃料费比汽油车还廉价。表1.1燃料费的比拟种类条件每千米的燃料费电动汽车夜间电费1~2日元通常电费3~10日元汽油车1L燃料行驶距离为24日元1L燃料行驶距离为12日元1L燃料行驶距离为8日元1L燃料行驶距离为6日元1.4驱动电动机的工作原理及性能比拟电动汽车的驱动系统是电动汽车最关键的子系统，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。电动机的选择是否适宜决定着驱动系统的性能的好坏，电动汽车设计的根底是电动机的选择。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，因为它构造简单，本钱低，但随着人类科学技术的开展，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。直流有刷电动机早期电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展维护，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〔PermanetMagnetSynchronousMotor，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拟高运行效率及输出功率因素，只需要15%~120%较大围就可以了，如果在负载很小的情况下，运行的效率就会更好，一样[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刷组成的机械接触构造。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，需要一套开展的控制系统，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：它的构造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，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，而且在很广的围保持高效率，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构造，不可防止地存在转矩波动，噪声是开关磁阻电动机最主要的缺点。但近年来的研究说明，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进展控制，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，它含有与id或iq的乘积项，因此要得到准确的动态控制性能，必须对与id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。矢量控制的根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展矢量控制，而且对电动机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，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响环节，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展调节，具有构造简单，转矩响应快等优点。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场研究，分析了永磁同步电机的构造，建立数学模型，研究了PMSMDTC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，从而比拟出更好的控制系统。设计出了TMS320F论文安排第一章：绪论局部，简单介绍了电动汽车的PMSM电机的背景及意义，并比拟分析多种电动机的构造，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控制技术，并通过MATLAB仿真。第四章：提出了TMS320F2812DSP第五章：对本文工作的总结及展望2.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，通过分析其构造和特点，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展估算和滞环控制，进展了MATLAB仿真。2.1永磁同步电机永磁同步电机〔PermanentMagnetSynchronousMotor：PMSM〕具有高效率，第转矩脉动，高动态性能和高能量密度等特点，现已广泛应用于大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。永磁同步电动机的开展得益于电力电子技术的开展，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开展，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开展。永磁同步电动机的构造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给励磁绕组励磁电流的外部电源，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局部组成。定子与普通感应电动机根本一样，主要由冲有槽孔的硅钢片，三相绕组，机壳及端盖等局部组成。转子用永磁材料制成无明显磁极的隐极式，采用适当的几何构造，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一样方向旋转时，定，转子产生的气隙磁场之间无相对速度，在空间上互差*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，到达调节转速，带不同负载的目的。因此，在永磁同步电动机中进展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，无法进展机电能量转换。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构造可以分为三类：面贴式，插入式和嵌式。如以下图。永磁同步电动机转子的构造和的安装方法对电动机的性能影响很大，因此，面贴式，插入式和嵌式的永磁同步电动机各有其优缺点。图2.1PMSM转子构造分类面贴式永磁同步电动机构造简单，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，从而减少磁场谐涉及其负面效应，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构造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本钱较面贴式都大。嵌式永磁同步电动机的永磁体位于转子部，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。虽然不同的永磁同步电动机转子构造差异很大，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，转动局部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到达额定转矩的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2~8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)构造多样化，应用围广，永磁同步电动机由于转子构造的多样化，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，从简单的电开工具到高科技产品，时机无所不在。(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，构造简单，系统的可靠性自然得以提高。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)定子磁场呈正弦分布，不考虑谐波与饱和的影响；(3)忽略电动机的涡流和磁滞损耗。在上述假设的根底上，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，如以下图图2.2PMSM坐标系的关系两相静止坐标系中的α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ωr在旋转，d轴指向转子磁链Ψf的方向；*y坐标系以定子磁链角速度ωe旋转，*轴指向定子磁链Ψs的方向。d轴与A轴的夹角为θr，δ为电动机定，转子磁链矢量Ψs与Ψf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〕。〔2.1〕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，则定子三相绕组的电阻Ra=Rb=Rc=Rs，Ψa，Ψb，Ψc为A，B，C各相绕组的磁链。〔2.2〕式中，θr=ωrt，ωr为转子角速度，Ψra〔θr〕,Ψrb〔θr〕，Ψrc〔θr〕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=Lb=Lc=Ls,定子三相绕组互感Mab=Mac=Mbc=Mba=Mca=Mcb=Ms.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θr表示以A相定子绕组为基准往电动机旋转方向取得转子磁极的角度，则转子磁链在各相绕组中的交链可以表示为〔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〔2.4〕式中，L=Ls-Ms，Ls是三相绕组的自感，Ms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〔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，则，在两相旋转坐标系中，定子磁链方程可以表示为〔2.6〕转矩方程Te=np(ψdiq-ψqid)〔2.7〕电动机的运动方程为〔2.8〕(3)电动机在两相静止坐标系下的模型为了简便，直接根据坐标变换理论，把永磁同步电动机在两相旋转dq坐标系dq下的数学模型转换到两相静止αβ坐标系下，得到如下电压方程式：〔2.9〕同样可得到电动机在αβ坐标系下的磁链方程为〔2.10〕在两相静止坐标系αβ下，根据定子回路的电压平衡方程式，Ψα，Ψβ可对电压求积分得到〔2.11〕〔2.12〕电磁转矩为：〔2.13〕(4)电动机在磁场旋转坐标系中的数学模型*y磁场旋转坐标系也属于解耦的dq旋转坐标系，变换原理和形式与dq坐标系相似，*轴与d轴之间的夹角δ。*y坐标系与dq坐标系之间的转变公式如式所示〔2.14〕式中的变换矩阵也适用于电压，磁链矢量。*y坐标系下的磁链计算式为〔2.15〕由于Ψy=0，所以由式可得〔2.16〕因为Ψ*=Ψy，所以根据式可得：〔2.17〕将电流id，iq由坐标变换到电流i*，iy，代入式6.7.可得在*y坐标系中的电磁转矩表达式：〔2.18〕对于隐极式永磁同步电动机来讲，由于Ld=Lq=Ls，所以转矩的表达式又可写成〔2.19〕在上式中ωsr为定子磁链相对于转子磁链旋转角速度，δ0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，电动机转矩随着转矩角增大而增大，且转矩角为90°时，转矩到达最大。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δ来对电动机的电磁转矩进展控制。δ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，进而到达改变δ角的目的。要使定子磁链迅速改变方向，可根据需要选择根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δ角的控制。综上所述，永磁同步电动机直接转矩控制的理论根底为：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向来瞬时调整转矩角δ，就能够实现电磁转矩的动态控制，这也是直接转矩控制的根本思想。永磁同步电动机直接转矩控制系统的构造框图如以下图。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αβ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展比拟，并经过滞环比拟器后，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]。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Ψs的幅值，求出两相坐标系中αβ的分量，，则Ψs的位置角可以按照下式求得：〔2.20〕根据γ的值，可以判断*一时刻定子磁链矢量所在的区域θn〔n=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Ψs给定值|Ψs*|；两个实线圆之间的折线表示定子磁链幅值的实际值，用|Ψs|表示，两个实线圆的半径差2Δ|Ψs|，即允许的误差围。在运行中，要求定子磁链|Ψs|能满足如下关系：|Ψs*|-Δ|Ψs|≤|Ψs|≤|Ψs*|+Δ|Ψs|〔2.21〕图2.4电压空间矢量对定子磁链的滞环控制按照要求，选取欠当的根本电压矢量，控制定子磁链幅值在一定的容差围波动。这样，在容差围定子磁链幅值形成的轨迹就是磁链圆轨迹[13-14]。|Ψs|的滞环控制过程中，对|Ψs*|与|Ψs|进展比拟作差。当|Ψs|-|Ψs*|≥Δ|Ψs|，即实际值比给定值大，此时滞环控制器输出ψ=0，表示要求减小定子磁链的幅值；当|Ψs*|-|Ψs|≥Δ|Ψs|，即实际值比给定值小，此时滞环控制输出ψ=1，表示要求增大定子磁链的幅值。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响值，以目前的技术水平，直接测量电磁转矩是比拟困难的，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响值，即估算值，然后把电磁转矩的估算值与给定值送入滞环比拟器进展滞环比拟，控制电磁转矩在允许的误差围波动。(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给定值Te*与估算值Te进展比拟作差。系统中电磁转换滞环控制器的滞环宽度设定为2Δ|Te|，即误差允许的围。当Te-Te*≥Δ|Te|时，滞环控制器的输出为τ=-1，即估算值比给定值大，表示要求减小电磁转矩；当Te*-Te*≥Δ|Te|时，滞环控制器的输出为τ=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τ=0时，表示电磁转矩的估算值与给定值的偏差在系统允许围，不需要对电磁转矩进展增大或减小的控制。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展控制[15]。具体实现方法是：设定开关表有三个输入信号，定子磁链的偏差，电磁转矩的偏差和定子磁链的区段号；设定开关表的输出信号为根本电压空间矢量。当开关表接收到输入信号时，综合三个输入信号值，选择对应的电压空间矢量，从而实现对逆变器的控制。通过查表就可以实时地控制定子磁链的增加和减小，电磁转矩的增加和减小，确定定子磁链轨迹和电磁转矩的动态响应按照期望的情况进展[16]。下表给出了采用有效电压空间矢量的逆变器开关表表2.1采用有效电压运动矢量的逆变器开关表φτθ1θ2θ3θ4θ5θ611U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)U1(100)-1U6(101)U1(100)U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)01U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)U1(100)U2(110)-1U1(100)U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)不同区段电压矢量的选择根据定子磁链和转矩的偏差情况来综合选取。采用下式来决定φ和τ取值，其中Δφ和Δτ分别为定子磁链和转矩给定值与估算值之间的偏差。〔2.22〕〔2.23〕式中，φ(k-1)和τ(k-1)表示前一个控制周期转矩和磁链的控制状态。2.3直接转矩控制MATLAB仿真DTC方法实现磁链和转矩的双闭环控制。在得到电动机的磁链和转矩值后，即可对永磁同步电动机进展DTC。如图121给出永磁同步电动机的DTC方案构造框图。它由永磁同步电动机，逆变器，转矩估算，磁链估算及电压矢量切换开关表等环节组成，其中ud，uq，id，iq为静止〔d-q〕坐标系下电压，电流分量。虽然对DTC的研究已取得了很大的进展，但在理论和实践上还不够成熟，例如，低速性能，带负载能力等，而且他对实时性要求高，计算量大。253图121图2.6永磁同步电动机的直接转矩控制框图根据上述关于PMSMDTC的理论分析，可以在的环境下搭建控制系统的仿真模型，如图2.8所示。表2.2永磁同步电机的参数Table2.3 TheparametersofPMSM参数数值额定功率PN2000W极对数P2定子电阻Rs0.9585Ω电感L5.25mH额定转速n2000r/min等效励磁磁链Ψf0.1827Wb阻尼系数B0.3035转动惯量J0.006325kg•控制系统的仿真模型如图2.8所示，主要有PI速度调节器模块、滞环控制器模块、Clarke模块、定子磁链和转矩计算模块等。本文针对上节提出的改良的新型磁链观测器，给出了模块的实现方法，如下图。图2.7PMSMDTC系统仿真模型对系统进展如下仿真研究，给定转速和给定负载转矩为，系统在时开场加速，加速到后速度到达稳定后不再改变；转矩在时跳变到，图2.10中给出了定子磁链轨迹、转矩和转速的仿真曲线及相定子电流波形系统稳定后的曲线。通过观察各个参数仿真出的曲线，实现验证该方法的可行性。FOC电压波形图2.9DTC电压波形Fig.2.10 Thetraditionaldirecttorquecontrolsimulationwaveforms仿真结果中可以看出系统从启动到稳定运行的整个相关参数的变化过程。在理想状态下，DTC系统响应迅速，运行较平稳。当转矩发生变化时，转速并未随转矩的变化而发生波动。PMSM-DTC具有较好动、静态特性，但转速仿真中实际转矩同给定值相比存在超调，而且转矩脉动较大。FOC电流波形DTC电流波形FOC转矩波形DTC转矩波形FOC转速波形DTC转速波形3.SVPWM研究3.1引言交流永磁同步电机作为一种最常用的电动机，广泛的应用在机器人，数控机床，医疗设备，轻工机械及石油化工设备中。可以通过它实现设备的速度或位置的精细控制。通过上一章节的研究和仿真，虽然PMSMDTC构造简单，磁链沿着轨迹运动，转速响应快，但其输出的磁链，转矩脉动都比拟大。3.2SVM技术用于永磁同步电机的直接转矩控制对于三相永磁同步电动机的三闭环控制系统而言，目前广泛使用磁通正弦SVPWM〔SpaceVectorPulseWidthModulation〕，该方法与电压正弦PWM不同，它是从电动机的角度出发，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦磁通。该控制策略把逆变器和电动机看成一个整体来处理，所以模型简单，便于微处理器实时控制，并具有转矩脉动小，噪声低，电压利用率高的优点，因此目前无论在开环调速系统或闭环控制系统中均得到了广泛应用。多三相逆变器的SVPWM技术是在标准的三相SVPWM的根底上，通过空间实时相移技术，使得每个独立三相逆变器单元的SVPWM波形在空间实时相移到与电动机绕组空间相对应的角度。使得每组SVPWM波与相对应的电动机绕组总是保持相对静止状态。SVPWM二电逆变器空间电压矢量二电平广义逆变器空间电压矢量PWM调制方式其本质上对应的开关策略[17]是：在三相电压源逆变器的拓扑构造中，开关状态函数仅仅是由上桥臂功率器件的开关状态所确定的，下桥臂的开关状态与上桥臂是互补的。三相电压的开关状态是由8个根本开关状态所确定的，其中包括6个非零矢量和两个零矢量。矢量合成SVPEM法是由三个向量来等效合成广义逆变器控制所需的理想空间电压向量Vout，即Vout的幅值和相位是由一个60°区间的两个非零向量和一个零向量共同作用的合成。这种特殊的开关策略引入了虚拟的3次谐波调制电压，有效地提高了PWM波的线性调制区域。与传统的正弦波电压SPWM拨调制方式相比，SVPWM在输出电压和电流中产生的谐波畸变更小，并对直流母线电压更高的利用率。其相电压的基波有效值是传统SPWM波的1.1547倍。在同样功率输出的情况下，可以有效缩小功率器件的尺寸或者提高系统的过载能力。由于矢量控制是基于直角坐标系的解耦控制方式，因此与开环控制所采用的基于幅值/相位的SVPWM方式有所不同，研究基于直角坐标系的SVPWM产生策略在算法的实时性与执行效率方面对于DSP系统就更为重要。基于直角坐标系SVPWM可以提高异步电动机和永磁同步电动机中广泛采用的矢量控制算法的效率，尽可能防止消耗较多资源的三角函数和反三角函数的运算。最大限度的利用DSP所擅长的乘，加法运算能力。SVPWM技术研究采用三相桥式逆变器主电路的简化拓扑构造见图，其中对于上，下桥臂中同一位置的开关元件无论是IGBT，IPM等主开关或者是续流二极管其导通的开关状态函数是一样的，因此等效为同一个理想开关。图3.1三相逆变器简图根据SVPWM的拓扑示意图，可以得出在直流环节电压VDC确定的情况下，开关状态函数Sc种不同的组合方式及线电压和相电压的表达式，见表表3.1SVPWM开关状态函数表ScSBSAVANVBNVVABVBCVCA0000000000012VDC/3-VDC/3-VDC/3VDC0-VDC010-VDC/32VDC/3-VDC/3-VDCVDC0011VDC/3VDC/3-2VDC/30VDC-VDC100-VDC/3-VDC/32VDC/30-VDCVDC101VDC/3-2VDC/3VDC/3VDC-VDC0110-2VDC/3VDC/3VDC/3-VDC0VDC111000000当电动机绕组为星型接法时，VAN,VBN,V为逆变器三相电压输出电压，6个开关器件分别被格子的门极信号SA,SB,SC,A,B,C控制。根据开关向量[SA,SB,SC]的0/1选取，电动机的三相电压可以表示为：〔3.1〕同时，可以确定逆变器功率器件的8种组合状态，并得到不同状态下电动机定子电压的适量表达式：〔3.2〕在α-β直角坐标系中，经过克拉克变换可以得到三相电压与直角坐标系中正交电压分量的转换关系，Vsα，Vsβ电压分量有如下公式表示：〔3.3〕将公式上2代入上1，可以得到开关向量[SA,SB,Sc]与Vsα，Vsβ电压分量的关系，见表下显然，Vsα，Vsβ同样包括8个根本空间电压矢量，6个有效电压矢量，2个零矢量。其中6个有效矢量的模长为，其代表了在60°的整数倍方向上合成电压矢量的作用效果。上1方程式可化简为〔3.4〕上表三相逆变器开关状态函数与α，β电压分量的关系表3.2三相逆变器开关表SCSBSCVSαVSβVectorSector00000O000012VDC/30U01010VDC/3VDC/U120211VDC/3VDC/U603100-VDC/3-VDC/U2404101VDC/3-VDC/U3005110-2VDC/30U180611100O1117从上表可得逆变器开关状态电压空间向量图，将向量图的空间区域分为6个象限，每个象限间隔60°，如下图图3.2逆变器开关状态根本空间电压向量图合成电压空间向量的表达式为：〔3.5〕空间矢量PWM技术的核心是离散控制8个根本空间电压向量的导通时间，使8个电压向量的合成作用，在整个360°空间区域来逼近原本由，产生的空间合成电压向量Uout。在以下图中。图3.3空间合成电压向量图0~60°区域逆变器空间矢量PWM技术电压向量图在图中代表了由U0，U60合成作用时的α轴合成分量，代表了由U0，U60合成作用时的β轴合成分量。〔3.6〕SVPWM空间电压矢量脉宽调制的目标就是尽可能地模拟定子电压向量在空间的变化趋势。虽然电压向量不能通过，直接获得，但利用功率开关状态函数的8种根本组合却能够方便的实现定子电压向量的模拟。假定在*一时刻合成电压向量处于0-60°区域，则此时UOUT向量是由U0，U60，O000，O111四个根本电压空间矢量所合成，由上图可以得出在第一个60°的区域有关矢量的几何关系如下；〔3.7〕式中，T1，T2为周期T相邻开关状态的累计导通时间；T为离散采样周期；T0为周期T零状态累计导通时间。对上公式进展分解可得：〔3.8〕电压幅值研究方程式上2中采用的是实际值，为了规计算过程，需要采用标幺值，对计算进展归一化处理。由表上1可以得知，U0，U60向量模的长度为2VDC/3.如果令〔3.9〕是相电压的峰值，由上3公式可以得出以幅值/角度形式表示的T1，T2，T0表达式：〔3.10〕设定零矢量O000的作用时间为；，可以得到零矢量的两个分量的作用时间是可以按照比例因子进展调整，从而得出不同类型的空间矢量SVPWM的方案。可以得出：随着合成电压矢量的长度的增加，T1，T2也逐渐增加，T0逐渐减小。但是要满足在线性区的要求，必须，即〔3.11〕要使在任何θ数值下式上总成立，则.取最大相电压作为电压的基值，则标幺化后的。由于需要尽可能的防止占用资源较多的三级哦啊函数运算，方程式可以转变为以下形式：〔3.12〕可以采用时间的标幺值来简化计算，由以下公式定义t1，t2：〔3.13〕类似地可以得到，当UOUT处于60°~120°区域时，则：〔3.14〕假定根据以下方程式定义3个变量*,Y,Z：〔3.15〕电压矢量的分区显然，当UOUT处于0°~60°区域时，t1=-Z，t2=*;当UOUT处于60°~120°区域时，t1=Z，t2＝Ｙ。通过类似的方法可以得到整个360°区域以变量*，Y，Z作为自变量的t1，t2表达式。这种方法可以利用计算效率很高的一维查表算法，尽可能防止耗用资源较多三角函数运算和矩阵运算。下表列出了整个360°区域t1，t2的计算与分区结果。其中快速确实定分区是SVPWM算法的关键步骤之一。因此，有必要建立一组辅助函数来确定分区。表3.3t1，t2计算与分区表SectorU0~U60U60~U120U120~U180U180~U240U240~U300U300~U360Number132645t1-ZZ*-*-YYt2*Y-YZ-Z-*表以变量*，Y，Z为自变量所确定的t1，t2分区定义分区函数建立的规则是当空间电压合成向量UOUT每转过60°区域，分区函数的输出值改变一次，改变的值与所处区间的序列数为一一对应的关系，同时数值改变的边界应当是6个非零有效根本空间矢量的方向。根据以上规则可以建立出分区辅助函数如下：〔3.16〕SVPWM算法的实现步骤：(1)确定UOUT所在的分区数Sector_Number;(2)计算*,Y,Z;(3)计算时间的标幺值t1,t2。情况下，t1+t21，如果t1+t2>1时，需进展状态饱和补偿，用补偿计算值作为新的状态时间；〔3.17〕〔3.18〕(4)确定循环周期值taon，tbon，tcon；(5)将循环周期值taon，tbon，tcon赋值给Ta，Tb，Tc。循环周期值taon，tbon，tcon变量由以下公式确定：〔3.19〕根据分区数Sector_Number把正确的循环周期值t*on赋值给正确的逆变器的相变量，即Ta，Tb，，Tc，下表列出了赋值基规律表3.4Ta，Tb，，Tc赋值基规律表SectorU0~U60U60~U120U120~U180U180~U240U240~U300U300~U360Number132645TataontbontcontcontbontaonTbtbontaontaontbontcontconTctcontcontbontaontaontbon公式上给出的是对称模式SVPWM调制，也称之为七段式SVPWM波，其相对与非对称PWM信号的优势在于它在每一个周期的开场和结尾处有两个零矢量区段。在交流同步电动机中，对称PWM调制信号比非对称PWM信号引起的谐波畸变小。3.3SVPWM的MATLAB仿真实验用波形采用TI公司的TMS320F2812DSP表3.5永磁同步电机的参数表参数数值极对数3定子电阻0.65Ω永磁体磁链0.1842Wbd轴电感0.0029Hq轴电感0.0029H额定电压240V额定电流7.3额定转速4000rpm以下图为传统DTC和SVPWM控制方式的磁链与转矩波形仿真SVPWM电压图SVPWM电流波形图SVPWM转速图SVPWM转矩图SVPWMFlu*图4.TMS320F2812DSP控制系统的设计TMS320F2812DSP开发平台是一个独立的嵌入式应用板卡，其集成了丰富的资源，能满足大多数应用需要。硬件局部比拟完善包含保护电路，检测电路，驱动电路等等，软件局部包含DSP初始化，读取等。4.1控制系统整体设计DSP基于微处理器的运动控制系统根本构造，该构造适用于PC等类型的计算机系统和绝大多数嵌入式系统，其中CPU是从程序存储器读取指令并逐条执行的时序逻辑控制器，顺序时钟控制CPU的执行时序。需求分析需求分析体系构造设计系统硬件设计系统软件设计系统集成调试系统综合测试图4.1数字信号处理系统的设计流程4.2硬件电路设计DSP最小系统设计(1)电源接口F2812采用3.3V和1.8V双电源供电[18]。本系统采用数字模拟地别离设计。电压转换电路将输入5V电压转换为3.3V和1.8V。电路如下图。电压转换芯片采用TI的TPS767D318，该电源专门为双通道电压处理器设计，每个通道可以提供最大1A的电流。此外，TPS767D318还具有欠压复位功能，在系统上电过程或电压波动而低于阈值〔输出电压的5%〕，产生200ms图4.2DSP双电源电路(2)复位电路通常情况下复位电路包括上电复位，手动复位，电源监测复位以及看门狗复位等，无论哪种复位，其根本功能是为了保障系统能够正常的启动。在电路设计时，手动和上电复位主要考虑能够手动去抖，上电复位时间保证等方面。而电源监测则主要是通过对系统电源进展监测，一旦出现超出设定的标准阈值则使处理器复位，重新运行防止系统跑飞而不能正常工作。看门狗是系统主要是完成系统软件程序监测，采用固定时间出发看门狗定时器方式，是看门狗一直处于计数状态，一旦系统软件异常而在看门狗计数周期没有对其清零操作，则认为系统软件故障而产生复位信号使CPU复位。如图给出了上电和手动复位的电路图。图4.3上电和手动复位电路(3)TMS320F2812存储器接口EVM包含零等待周期的两片64kB数据存储器，芯片型号为ISLV6416.提供总共128kB的外部存储器。在系统开发过程中，部的存储器往往要优先使用，这样可以提高系统的运行效率。此外，外部存储器的速度要等待周期的影响。F2812能够部产生外部接口〔*INTF〕的等待周期。片外等待周期由片等待产生存放器确定。为了能够获得零等待的存储器接口，系统必须正确的配置等待存放器。也可以通过外部ready信号来产生等待周期。2812的存储器采用统一编址方式，存储器由两种配置方式，其模式通过拨码开关S1的第2位来选择。如果此位拨在ON位置，DSP工作在计算机模式并且启动部BOOT模式，此时可以选择从部的Flash运行程序，如果此位拨于OFF位置，则部Flash被屏蔽并且*INTFZONE7空间被使能。图4.4外部存储器扩展(4)晶振选择TMS320F2812EVM由外部提供30MHz的晶振，CPU承受CLKIN(CPUCLK)，通过适当的配置时钟控制存放器来选择系统时钟的工作频率。但由于处理器最高采用40MHz，因此锁相环的系数配置要求不能超出处理器的主频。如图。图4.5外部有源时钟电路(5)JTAG接口TMS320F28812评估模块支持14pinJTAG的接口，引脚分配如图图4.6JTAG总线接口智能功率模块的自保护特性IPM建了一套复杂的自保护电路，它可以防止功率器件因系统功能失调或负载过重而损坏。因此，可以允许用户最大限度地利用功率器件的能力而不失可靠性。自保护电路可以提供欠压保护，过热保护，过流保护和短路保护。下面以原三菱公司的IPM为例，介绍IPM的自保护特性。(1)欠压保护IPM部控制电路使用隔离的直流15V电源，这个电源很重要，所以必须对其进展监控。当欠压时间小于tduv时，欠压保护电路并不动作，电路仍然正常工作。当这个电源电压降到欠压门限〔UVt〕以下时，欠压保护电路动作，IPM会自动关断，并输出故障信号；在欠压保护时，电压必须超过恢复门限〔UVt〕，这时，保护电路才解除保护，系统恢复正常操作。欠压保护电路也在系统上电和断电时工作，因此，系统控制器应该考虑延时tFo。如图〔41〕(2)过热保护IPM部有一个温度传感器，安装在靠近IGBT芯片的绝缘底板上。如果底板的温度超过温度极限〔OT〕，过热保护电路将切断IPM的门驱动，以保护IPM。对于2单元，6单元和7单元的IPM，下桥臂的IGBT将自动关断，上桥臂的IGBT不受影响，保护动作一直持续到过热完毕。在保护电路动作期间，IPM向外输出一个故障信号。只要过热条件存在，故障信号就不会消失。当温度降到过热恢复极限〔OTr〕以下时，IPM恢复正常工作。IPM过热保护时序如下图图4.7过热保护时序大多数应用中，在过载和冷却系统失效情况下，过热保护功能为IPM提供了有效的保护，但是，它不能确保IGBT不会超过结温。在特殊情况下，例如系统的电流调节功能失效或者使用超高开关频率，都有可能在底板温度还没有到达OT时，使IGBT的结温超过Tj〔ma*〕。(3)过流保护IPM使用部的电流传感器来连续地监视IPM的电流。如果通过IPM的电流超过过流极限〔OC〕，并持续toff〔OC〕时间，IPM的部保护电路将切断门电路来保护器件，并发出故障信号。Toff〔OC〕延时用于防止无害的窄过流脉冲频繁地触发过流保护。自动关断过程会产生尽可能低的di/dt，这会有助于防止关断时产生过度电压尖峰，这就是软关断过程。多数IPM采用两步关断。在两步关断中，门电压先被降低到一个中间值，它可以使通过器件的电流缓慢地降低；然后，大约5μs后，门电压降到0，完成关断。*些容量大的6单元或7单元IPM，在高电流下使用斜坡门电压来获得较低的关断di/dt。(4)短路保护如果负载发生短路或因系统控制器失效而引起上下桥臂，则IPM部的短路保护电路动作，以防止IGBT损坏。当通过IGBT的电流超过短路极限〔SC〕时，保护电路立即关断，同时输出故障信号。可以采用与过流保护一样的技术来减小过渡电压尖峰。为了减少短路检测和短路关断的响应时间，采用了一个实时电流控制电路〔RTC〕，这个电路使响应时间小于100ns。采取外部措施来防止频繁地重复触发过流保护和短路保护。在紧急关断时，会产生较高的浪涌电压，因此在驱动电路设计中，要考虑设计缓冲电路和低电感的总线。(5)故障信号的使用为了使接口电路简单，IPM的设计可使得不管什么类型的故障发生，都通过一个故障引脚输出故障信号，而且可以通过测量故障信号持续时间的长短来识别是什么故障。检测设计电路在基于矢量控制的控制系统中，需要检测一些反响量。电动机电流的检测是为了实现电流闭环控制和主电路的过流保护；直流母线电压的检测是为了电压空间矢量调制的需要；而电动机转子位置和速度的检测是为了实现位置闭环和速度闭环控制。(1)电流信号的检测电流的检测通常有以下3种方式：电阻采样；采用磁场平衡式霍尔电流检测器〔LEM模块〕；采用电流互感器。电阻采样适合被测电流较小的情况，在待测电流的支路上串入小值电阻，通过测量电阻上的压降就可以计算电流大小，假设要在保证电流检测线性度的同时又实现强，弱电的隔离，需要采用用于传输模拟量的线性光电耦合器件。电流互感器只能用于交流电流的检测，检测过程中需要对互感器获得的电流信号进展整流以得到单极性的直流电压，再通过A/D转换读入微处理器，由于整流电压本身具有脉动性，因此读入微处理器时因采样方式的不同将会得到不同的测量结果。与这两种电流检测方法相比，采用LEM模块可以到达很多好的测量精度和线性度，而且霍尔电流传感器响应快，隔离也彻底。(2)电压信号的检测电压的检测方式通常有以下三种：分压电阻采样；采用电压互感器；采用磁场平衡式霍尔电压传感器〔LEM模块〕。分压电阻采样可以用于直流母线电压的检测，但要进展强，弱电隔离时，需采用光电耦合电路。电压互感器只能用于交流电压的检测。而应用磁场平衡式霍尔电压传感器进展直流母线电压的测量和隔离，可以获得很好的测量精度和动态响应，因此实验室系统选用电压LEM模块LV28-P来检测直流母线电压，直流母线电压信号的调理过程与电动机侧电流信号大体一样，但无须电平提升电路。(3)转子位置信号的检测应用机械式位置传感器检测电动机转子的位置和速度，可以把测量结果作为评价转子位置自检测精度的依据。要准确检测转子*一时刻到达的位置，需要较为精细的转角检测器。光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。一般的光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成。在伺服系统中，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出假设干脉冲信号，其原理如图。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的2个通道的光码输出，根据双通道光码的状态变化确定电机的转向。根据检测原理，编码器可分为光学式，磁式，感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式，绝对式以及混合式3