基于AMESim与Matlab_simulink联合仿真的异步电机矢量控制研究

基于 合仿真的异步电机矢量控制研究 由于能源短缺与环境污染等问题愈发严重 ，使得汽车工业的发展朝着节能、低排放等新技术方向发展，由于电动汽车 蓄电池问题一直没有突破性的进展，因此混合动力汽车（ 成了目前缓解污染和能源消耗的最佳选择，成为国内外汽车发展研究的一个新热点。 相较与传统汽车，混合动力汽车增 加了一个新的动力来源：发动机 文通过对电 机驱动系统的研究，选择三相异步电机为本文的被控对象，对其进行分析与研究 ，选取的控制方案为矢量控制法。本文主要围绕并联式混合动力汽车用三相异步 电机展开，首先建立了异步电机的数学模型，并对矢量控制法控制异步电机时涉 及到的复杂的解耦计算进行了详细的介绍，然后搭建了异步电机在两相旋转坐标系下的数学模型以便后续的研究。 利用 件搭建了异步电机矢量控制的仿真模型，从仿真实验中得出了矢量控制算法的优点即两个电流 闭环的存在，使得矢量控制算法对电机的控制效果较好，但是也正是由于算法中 存在大量的坐标变换、解耦等环节，使得系统在运行过程中发生突变时会产生较大的波动，而且也需要较长的时间恢复。 对于已经搭建的 真模型，根据需要进行改进，因此在系统中加入了卡尔曼无速度传感器环节，在阐述了卡尔曼滤波器原理后，在 搭建了基于卡尔曼滤波算法的矢量控制系统模 型，对电机的调速实现了无速度传感器控制。仿真结果也验证了方法的有效性。 由于本文中使用的是在 搭建的纯理想化的电机模型，为了更贴近实际，本文引入了 真软件。利用 的更为贴近实际的电机模型来代替之前在 搭建的理想化电机模型。实现 合仿真。并通过仿真实验验证其控制策略的有效性。 键词： 异步电机，矢量控制，扩展卡 尔曼滤波器，联合仿真 on It At no in be to it is a in of of of a of to In a is as to be is to is to a a of in a of in so it be a is to a of of is a of a to a is to to is as a of of As in is a to IV to to a of of 录 第一章 绪论 . 1 课题来源及研究意义 . 课题的来源 . 课题的研究意义 .国内外电动汽车的发展现状 . 国外电动汽车发展现状 . 国内电动汽车发展现状 . 混合动力汽车用电机种类介绍 . 混合动力汽车用电机驱动系统的概述 . 混合动力汽车电机驱动系统控制策略 .论文的主要内容与章节安排 . 11 第二章 交流异步电机矢量控制系统 .交流异步电机的动态数学模型 . 交流异步电机的物理原理以及数学模型 . 坐标变换和变换矩阵 .交流异步电机在任意两相旋转坐标系上的数学模型 .矢量控制系统原理及模型实现 . 调节器的工作原理 . 矢量控制算法在 的模型实现 . 仿真实验 . 结果分析 .本章小结 .三章 基于扩展卡尔曼的无速度传感器矢量控制系统 .卡尔曼滤波器的原理 .基于卡尔曼的电机转速、磁链估计算法实现 . 建立电机的状态空间方程 . 系统状态方程的离散化 . 基于 电机状态估算流程 .基于 无速度传感器矢量控制系统的仿真 . 仿真实验 . 结果分析 .本章小结 .四章 合仿真的实现与算法验证 .真软件的特点及功能介绍 . 合仿真模型的搭建 . 搭建模型 . 在 建立交流异步电机驱动机械部分模型 .联合仿真的实现 . 仿真前期准备 . 真设置 .算法验证仿真实验 .本章小结 .五章 总结与展望 .全文总结 .工作展望 .考文献 .者简介及科研成果 . 谢 .1第一章 绪论 课题来源及研究意义 课题的来源 本论文以新能源汽车电子 控制系统研发与产业化的项目为 课题来源，是与中国第一汽车集团公司 技术中心共同合作的。一汽技术中心 是中国第一汽车集团公司的产品研发机构，承担着一汽集团中、重、轻、微、 轿、客六大整车及其零部件研发以及工艺、材料的研发、试制、试验。是当今中国汽 车行业规模最大的汽车产品研究、开发和试验检测基地。担任实现以技术进步推进产品创新发展的重任。 众所周知，随着石油等不可再生能 源的日益匮乏以及传统的内 燃 机汽车尾气排放的问题对人们生存的环境带来的伤害日益 突出，使人们意识到对可再生能 源在交通工具上的应用已成为迫在眉睫的大事，因此，新 能源汽车必将取代传统的燃料汽车，成为未来人们在公路上的主要交通工具。混合动 力汽车、纯电 动汽车、和燃料电池汽车为当前较为成型的三种汽车。根据它们自身各 有的特点，这三种未来汽车都各自具有自己的优点和缺点。纯电动汽车是一种采用单 一蓄电池作为储能动力源的汽车，它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电机提 供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车前进。它的核心竞争力在于本身不排放污染 大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物 也比传统汽车少很多，但碍于目前纯电动汽车技术上的限制与约束，较长的充电时间 ，行驶里程数有限等缺点使得纯电动汽车在今后的一段时间内还无法以主角的身份登上舞台。同样命运的还有燃料电池汽车，虽然以其具有极高的效率以及低排放等特点被列为 21世纪改变人类生活的十大科技之首，但其形成产业化还需要较长的时间。所以 为了平滑的过渡，混合动力汽车是当前最适合替代传统内燃机汽车的车型。所谓混合动力汽车，就是指至少拥有两种动力源，使用其中一种或多种动力源提供部分或者全部 动力的车辆，目前实际生活中，混合动力汽车多半采用传统的内燃机和电动机作为动 力源，通过混合使用热能和电力两套系统开动汽车。 混合动力汽车目前在种类上分主要有三种1一种是只由电动马达驱动行驶，其发动机只被用做动力源， 汽车靠电动马达驱动行驶，驱动系统只是电动马达。 一种是以发动机为主动力，电力驱动为辅助动力。当 发动机行驶驱动时，利用电动马达的再启动会产生动力的原理，在某些环节（起步、 加速）时用来作为辅助动力，可以较好的降低油耗。还有一种是上面介绍的两种相配 合的一种方式，通常在低速时，汽车的 2 动力来源只靠电力驱动完成，当加速或速度较 高时，利用发动机和电动机两种动力源相配来完成，两种形式共同工作充当汽车的动力源。 如果根据混合动力驱动系统的联结方式，混合动力系统主要分为以下三类： 所谓串联 式，是指组成两种不同的动力源通过串 联联结的形式组合在一起。串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机 发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通 过变速机构来驱动汽车。串联式混合动力系统如图 示。在这种联结方式下，电池就像一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池对在发电机产生的能量和 电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。它的简单的结构特点决定 了串联式适合的工况范围较小，一般只适合频繁起步、加速、减速等工况，而且相比于传统的内燃机汽车，并没有提高效率。 图 联式混合动力系统 图 联式混合动力系统 所谓并联式混合动力系统，即有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。如图 示，这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用 于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低，工作模式和动力来源如下图 示：第一步：汽车起步，此时汽车的动力源全部来自电动机。第二步：汽车加速，在此环 节需要大量的能量，因此发动机开始启动，此时的动力源分别来自发动机和电动机。 第三步：减速制动环节，此环节的能量的全部来源为发动机供给。而且当汽车爬坡或 减速制动时，发动机同时又可以带动发电机发电，从而完成混合动力汽车制动时的能 量回收，为电池充电。目前并联式混合动力系统已经有相对成熟的量产车型，如日本本田汽车公司生产的 合动力版的汽车都采用的是并联式的混合动力系统。 所谓混联式混合动力系统，顾名思义，就是结合了串联式与并联式的特点，而且 3混联式的内燃机系统和电机驱动系统各有一套 机械变速机构，两套机构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系 。与其他两种结构相比，混联式动力系统虽然可以更加灵活的根据工况来调节内燃机 的功率输出和电机的运转，但是复杂的结构给它自身带来了成本高，不易安装及维护困难等一系列缺点3。 联式混合动力系统的工作模式 课题的研究意义 众所周知，发动机产生的能量为传统的内燃机汽车唯一动力源。而混合动力汽车相对于传统的内燃机汽车，多了一个提供能源的电池 机系统，这就是其特殊之处。无论对于哪种联结方式，合理的电机驱动系统 控制策略都是混合动力汽车研究和开发的重点。我们目前要做的工作就是如何将良好 的电机设计与合理的控制策略相结合，从而得到更好的驱动性能。 国内外电动汽车的发展现状 国外电动汽车发展现状 90 年代以来，美国、日本和以德国、法 国为代表的欧洲国家的各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽车，并在此领域保持着世界领先水平4上世纪 90 年代初期，美国三大汽车公司通用、戴姆勒、福特合作， 积极推动电动汽车的开发与研制工作，取得了理想的成果。并且未来的几年内，政府 又加大了对电动汽车研发的拨款，启动了下一代汽车合作伙伴（ 目，使之取得了突飞猛进的快速发展。迄今为止已经开发出了多种形式的混合动力电动 汽车，例如克莱斯勒的 特公司的000、通用公司的 。 1997 年 12 月，日本的丰田汽车公司率先研制出量产的混合动力 车，并于该年投放本国市场， 2000 年初又开始投放北美市场，并在投放后的三年内销售了 45 万辆。在日本，除了丰田公司以外，其他的汽车 4 产业巨头如本田、日产等公司都相继推出了自己的混合动力汽车。在 2001 年的美国环保总署评选的十大节能汽车中，本田公司的 得第一名，第二名则被丰田汽车公司的 合动力汽车摘走。 欧洲国家由于受困于石油储备的短缺、对外依赖性强和对降低二氧化碳和其他污染排放物等问题，再加上对可持续性发展目标 的共同认识，由德、法、英、意等组成的十三个工作区域联合实施了欧洲乌托邦计划（即 划） 。重心在于对混合动力汽车、燃料电池汽车、传统内燃机的改造， 并提供给整个欧洲地区汽车工业。使之缓解能源短缺与环境污染等问题。其中法国的 标致雪铁龙，雷诺以及德国的大众汽车公司都推出了自己相对成熟的量产混合动力汽 车。而且大多性能优越，在欧洲各国的政府部门中拥有大量的用户。国外部分电动汽车的技术数据如表 示。 表 外部分电动汽车的技术数据 车型 公司 年份 电机 蓄电池 最高车速 （ km/h） 用 1997 三相感应电机 铅酸 128 桑 1997 永磁同步电机 钴基锂离子 120 特 2000 三相感应电机 料电池 128 莱斯勒 2000 永磁同步电机 料电池 150 本国家环保局 1996 永磁同步电机 铅酸 130 田 1997 永磁同步电机 镍氢 130 莱斯勒 1998 三相感应电机 铅酸 130 特 1998 三相感应电机 铅酸 120 众 1998 三相感应电机 铅酸 国内电动汽车发展现状 为了维护我国能源的安全以及改善大气环境， 提高我国本土汽车工业的竞争力， “电动汽车技术研究”已经被列为国家科委“八五”科技攻关项目。 “九五”期间，东风汽车公司承担并完成了国家重大科技攻关项目“电动轿车概念车设计”的整车研制工作。2001 年 9 月，我国科技部在“十五”期间的国家“ 863”计划中，特别设立了电动汽车重大专项。并且将电动汽车产业化列为“十五”国家 863 科技攻关项目，计划投入近 510 亿元来支持电动汽车的研究与开发，希望能够在电动汽车的核心技术上取得重大突破，尤其是在电动汽车的系统集成和结合整车 的应用上，并最终希望能够批量投入生产。 在传统的汽车领域，我国落后于发达国家将近三十年，想要在此领域追赶发达国家已经是不可能完成的任务了。但是在电动汽车 领域上，我们国家与国外的差距却相对较小。而且我国较早的投入了对电动汽车的研 发，在此领域有一定的基础，虽然没有量产化的电动汽车出现，但是早在 90 年代中期，国内就有部分企业推出了电动汽车产品的概念样车，并且在这几年国内的电动汽车行业也有了突飞猛进的发展。 动轿车 香港大学在 1993 年研制了 动轿车，这是我国最早研发的 用镍镉电池组，将其布置在后排座椅的后下部。特 殊设计的永磁无刷直流电动机，通过驱动系统带动车辆前轮行驶。最大功率 50高时速 110km/h。 春晖一号 燃料电池汽车 2002 年上海燃料电池汽车动力系统有限公司联合上海汽车工业集团总公司和同济大学共同承担的国家 863 电动汽车重大专项燃料电池轿车项目，已经研制出了两款样车“春晖一号” “超越一号” 。其中“春晖一号”是四轮电驱动燃料电池轿车，采用永磁直流电机， 最高时速控制在 150km/h。 配置锂离子蓄电池和燃料充氢两种混合动力，蓄电池一次充电的续驶里程达到 50“超越一号”混合动力汽车已经通过验收，基于桑塔纳 2000 车型，最高时速可达 110km/h，续驶里程也可以达到 210。 奇瑞 瑞 用的混合动力，是一种具备怠速停机功能的混合动力技术，能够彻底解决车辆起步停车过程中燃油浪费的问题，实现汽车在红灯前和堵车时发动机暂停工作。当车辆识别到驾驶员有起步意图时，系统通过 统快速地启动发动机，也就消除了发动机在怠速工作时的油耗、排放与噪声。也就是说，统的主要功能是实现怠速时的零油耗，在正常行驶时依旧完全依靠发动机。奇瑞 合动力车开创了中国自主品牌汽车参与新能源技术普及的先河，引领中国绿色新能源汽车产业迈向一个新的高度。 比亚迪 3现在最接近于实用的双模式混合动力产品。据比亚迪披露的数据来看：充满 电池须用 16 度电左右，可以纯电动方式跑 100 公里，按照目前每度电 个花费大约是 9左右。相比烧汽油百公里动辄四、五十元的花费，这无疑要经济多了。 而且充电也很方便， 不必去到特殊的电站， 家用电源就可以为 模电动车的核心技术“铁电池”，更是绝对安全和环保，并且可以循环充电 2000 次以上。模电动车的优势还体现在动力上，模电动车搭载 铝发动力，升功率突破了 50，配合 75电机，输出功率达到 6 了 125到排量为 动机的动力输出水平。在纯电动模式下可行使 100高时速可达 160 公里/小时。 天津一汽公司 威姿电动轿车 威姿电动轿车是天津一汽公司研发的电动轿车，该轿车采用 55离子蓄电池，用 15流电机驱动，通过自主开发的总线 车辆整车电子、电力系统进行控制。最大质量 1200高车速 100km/h，最大爬坡度 30%，最大续驶里程达 170内几种电动车的技术数据如表 示。 表 内几种电动车的技术数据 车型 研制单位 年份 电机 蓄电池 最高车速 港大学 1993 永磁混合电机 镍镉 110km/h 春晖一号 上海汽车工业集团 2002 永磁直流电机 锂电 150 km/h 奇瑞 瑞汽车 2009 镍氢 180 km/h 比亚迪 亚迪汽车 2010 高铁 150 km/h 威姿 天津一汽 2013 交流电机 锂电 100 km/h 混合动力汽车用电机种类介绍 （ 1）永磁同步电机 永磁同步电机是指对于转子直流励磁的同步电动机，若采用永磁体取代转子直流绕组则相应的同步电动机就成为永磁同步电动 机。大致由定子、永久磁钢转子、位置传感器、电子换向开关等组成。具有结构简单 、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点7主要用于要求响应快速，调速范围 宽，定位准确的高性能伺服传动系统和直流电机的更新替代电机，按照永 磁体的结构分类可分为：表面永磁同步电动机（ 、内置式永磁同步电动机（ 。如果按照定子绕组感应电势波形分类：可分为正弦波同步电动机和无刷永磁 直流电动机。永磁同步电机具有以下几种特性： 永磁同步电机对电压的调节： 永磁同步电机对于电压的调节，直观上我们可以将其看成为一个负反馈系统，以电压作为这个负反馈系统的被控对象。当电机产生无功负荷电 流时，会不可避免的造成发电机端的电压下降，同理：如果我们保持电机的励磁电流不变，那么发电机端的电压值将会与无功电流成反比趋势随着它的增大而降低。但是为了满足我们对电机工 7作上的要求与需要，发电机的端电压应基本保持不变，这就需要我们通过调节无功电流来达到控制永磁同步电机的励磁电流的目的。 永磁同步电机对无功功率的调节： 永磁同步电机在运行时可以较形象的理解为是一个无限大容 量电源，此时电机感应电动势与电机的定子端电流会随着发电机励磁电流的变化而变化，此时产生变化的还有电机的无功电流。当发电机与无限大容量系统并 联运行时，调节发电机的励磁电流也会使发电机的无功功率发生变化。其根本原理是将发电机改变后的励磁电流送入系统的无功功率。 永磁同步电机对无功负荷的分配： 不同并联在一起的永磁同步电机会根据自身的额 定容 量，分配无功电流。每个电机负担的负荷会根据每个发电机的容量来决定，容量越大分担的无功功率就越多。可以通过一种自动高压调节的励磁装置来实现并联电机对无功负 荷能自动分配。同时工作中还可对发电 机电压调节特性的倾斜 度进行调整，用来达到永磁同步电机在并联的工作状态运行时对无功负 荷的合理分配。 （ 2）直流电机机 直流电机是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直 流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的结构应由定 子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的 部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢。由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 （ 3）感应电机 感应电机是异步电机的一种，由于异步电机主要是感应电机，所以也有人直接在定义时候将异步电机定义为感应电机10 但异步电 机不仅包括感 应电 机还包括双馈异步电机和交流换向器电机。它具有结 构简单、制造方便、价格便宜、运行方便等优点，但同时也具有功率因数滞后、 轻载功率因数低、调 速性能稍差等一系列缺点。感应电机作为一个多输入多输出的复杂系统，需要在 变频调速时进行电压或电流和频率的联合控制，可作为其输入量的信号可以是电压与 频率，同时电流与频率也可以作为其输入量，当然，由于输入的电压都是三相交流电 ，因此实际上的输入变量不止这些。在输出变量的环节，一般都会以转速和磁通为感 应电机的独立输出变量。当然我们还希望能够对电机的磁通进行控制，从而获得更好 的动态性能。对于感应电机来说，它不但是非线性、强耦合的系统，而且电压、频率 、磁通、转速之间如果某一个量发生变化，对其他几个量都会产生影响。各种类型的电机性能比较如表 示。 8 表 电机的性能进行比较 永磁交流电机 电机 类型 交流感应电动机 永磁直流电动机 永磁同步电动机永磁无刷电动机永磁混合 电动机 开关 磁阻电动机 优点 价格低 维护易 体积小 控制器较简单 效率高、能量密、价格高 简单可靠 可调范围宽 控制灵活 成本低 缺点 控制装 置复杂 价格较贵 转矩波动大 噪声大 需要位置检测器 应用 前景 已成为电动车首选 随着稀土永磁材料价格的降低， 这类电机有望与交流感应电机争夺市场 目前还 受限制 最高 效率 855810%负载时效 803 93高 转速 40000005000 以上 9000本 /单位轴功率 20 套控制器成本 1 电机 牢靠性 好 尚好 优 优 控制性 很好 很好 好 好 体积 一般 好 好 好 成本 很好 一般 一般 好 混合动力汽车用电机驱动系统的概述 电机驱动系统是电动汽车的心脏，其主要的任务就是在驾驶员的控制下，高效能地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，克服行 驶中的阻力。系统除了具有普通的电气传动共性外，还应满足电动汽车的特定用途的 要求。如汽车加速，爬坡，制动，续驶里程等性能在内的多种要求。同时还要适应这 种恶劣天气，如雪天，雨天，酷暑，严冬，路面湿滑等。更重要的是需要承受道路的颠簸震动，保证司乘人员的舒适与安全。因此对所设计的混合动力电机驱动系统应该满足以下几点要求： （ 1）恒定的功率输出和高功率密度。 （ 2）基速以下大转矩用以适应快速启动，加 速，频繁启停，负荷爬坡等要求，基速以上小转矩，宽范围，恒功率用以适应高速行驶，超车等要求。 9（ 3）具有较大的脉宽调速范围使之覆盖整个恒转矩区和恒功率区。 （ 4）电机及电控装置结构坚固，可以在不同的工作条件下可靠的工作 （ 5）价格低。 混合动力汽车在不同的工作模式下，电机会有多种的工作模式，而且参数的变化也很明显，控制复杂，特殊的循环工况和要求匹 配的电机型号功率差别也很大，控制方法也不相同，因此要具体问题具体分析12工业用电机系统与混合动力用电机系统的主要区别如表 示。 表 业用电机系统与混合动力用电机系统的主要区别 项目 工业用系统 混合动力汽车用系统 封装尺寸 空间不受限制， 可用标准封装配套的各种应用 布置空间有限， 必须根据各种产品进行特殊的针对性设计环境温度 环境温度适中 （ +40） 环境温度变化大 （ +110） 可靠性要求 较高，以保证生产效率 很高，以保证司乘人员安全冷却方式 通常为风冷（体积大） 通常为水冷（体积小） 控制性能 多为变频调速控制 需要精确的力矩控制， 动态性能较好 功率密度 较低（ 1一般 极高 混合动力汽车电机驱动系统控制策略 目前对交流电机的控制策略主要可分为四个阶段，第一阶段： V/F（恒压频比）控制，通常也被称为正弦脉宽控制。第二阶段： 电压空间矢量也称脉宽调制控制。第三阶段：磁场定向矢量控制。磁场定向控制也是 目前应用范围最广，同时也是相对成熟的一种控制方式，第四阶段，是一种新兴的交 流调速理论直接转矩控制，目前此控制方式还不算成熟。 正弦脉宽调制：正弦脉宽调制是最简单的交流调速方法，在工业生产中有着广泛的应用，结构简单而且易于实现，成本较低，但 属于标量控制，不适用于应用在混合动力汽车的电机驱动控制策略。 脉宽调制控制：空间矢量脉宽调制控制以较为简单的模型，易于实现的电路来实现对电机调速的控制，但同样的问题是脉宽调制 控制也属于开环控制，不适用于混合动力汽车的电机驱动控制策略。 磁场定向控制：磁场定向控制即矢量控制16对于磁场定向控制的研究始于上个世纪 70 年代，由德国西门子公司的 先提出。它作为一种高性能的感应电机控制方式是建立在被控对象准确的数学模型 上，通过控制电机的电枢电流实现电机 10 的电磁力矩控制。由于系统中存在电流闭环， 使电机的工作状态能够实时的跟随系统的给定，从而满足实际对象对电机电磁力矩的 要求。最初的磁场定向控制是通过对比直流电机和交流电机的模型与工作原理以及两 种电机的运行状态来推导出来的。理论依据是直流电机和交流电机在转矩的产生上有 着相似的原理，通过一系列的数学坐标变换，使交流电机模拟出直流电机的工作形式 ，然后利用控制直流电机的方法控制交流电机。虽然在理论出现的初期受到了广泛的 质疑，质疑主要集中在理论的严谨性与物理概念的清晰性上，但随着后人不断的实践 ，终于应用到了工业的生产中。虽然它也存在着对电机参数依赖大，计算量大等诸多 问题，但随着研究的深入、技术水平的提高、硬件条件的改善，许多问题都将会逐步得到解决 。 直接转矩控制：直接转矩控制是近几年比较新兴的一种控制方法21相比于矢量控制，虽然其结构简单，也有更优良的动态性 能，但不可忽视它的缺点，在对电机进行电磁转矩及磁链的滞环比较时，电机转矩会 产生脉动，并且会直接影响电机在低速运行下的平稳性和调速范围，而且是不可避免 的。另外通过电机反电势积分求得的定子磁链电压模型在低速运行时准确性很差，电 机在低速下的运行性能也很容易受逆变器死区时间、电机电阻及电压检测误差的影响 。因此，直接转矩控制应用在混合动力汽车的电机控制方面，依然还存在较大的问题。各控制策略如表 示。 目前，电动汽车电机驱动控制系统通常采用两种控制方法：磁场定向控制和直接转矩控制。直接转矩控制低速时易产生波动， 没有电流闭环，易产生过流，不能满足电动汽车低速爬坡稳定大转矩的要求，磁场定 向控制具有类似直流电机的良好转矩控制特性，在电动汽车电机驱动系统的应用中技术较成熟，因此应用也较为广泛。 表 流电动机控制策略 发展阶段 名称 速度环 优点 缺点 第 一 代 V/F 正弦脉宽控制 开环 控制电路结构简单，成本较低 系统性能不高，控制曲线会随负载变化而变化，转矩响应慢，电压利用率低 第 二 代 空间矢量 脉宽调制 控制 开环 模型简单、易于数字控制、转矩脉动小、电压利用率高 电路环节较多，没有引入转矩调节、系统性能没有得到根本改善第 三 代 矢量控制 闭环 动态性能好，可与直流电机系统媲美，调速范围宽 转子磁链难以准确观测，矢量旋转变换复杂，计算较繁琐 第 四 代 直接转矩控制 闭环 省去了矢量控制的复杂计算，动态性能好 转矩脉动较大，低速性能差且调速范围窄 论文的主要内容与章节安排 目前虽然矢量控制技术在工业上有成功的应用实例，但对于它的研究与改进还在如火如荼的进行着，无论是哪种控制方法，在 研究和探索的过程中总会或多或少的发现其中的不足之处，因此为了更好的控制目标，本文主要希望完成的工作有： 第一章绪论，详细阐述本次课题的意义以及课题的来源与背景，介绍了各国在混合动力汽车方面的发展情况以及未来的方向， 并针对混合动力汽车电机驱动环节做了较为详细的介绍，通过对各种类型的电机参数 的比较，选择了相对合适的异步电机，并介绍了异步电机几种控制策略的发展情况以 及基本原理，并根据实际情况选择了矢量控制的控制策略。 第二章介绍异步电机的数学模型，阐述矢量控制的基本概念以及控制原理，并详细的介绍了组成系统的各个模块的搭建以及各模块的功能，然后在仿真软件境中建立异步电机的矢量控制的系统仿真模型，并进行仿真分析。 第三章介绍卡尔曼滤波算法的原理以及无速度传感器的意义，然后推导卡尔曼滤波的数学模型，以及扩展卡尔曼滤波的算法流 程，再将电机的转速、磁通进行估算，建立状态空间模型。对第二章的实验目标以及 矢量控制的优缺点，在本章中引入基于无速度传感器矢量控制系统，通过对原有矢量控制系统的改进，完成电机转速和电机磁链的估算，从而得到更理想的控制效果。 第四章，由于应用 建的交流异步电机的数学模型是理想化的，忽略了很多影响因素，可能跟实际应用中的相 比相差很大，因此本章节提出在仿真软件 建立电机以及驱动部分的模型，把更多的实际因素考虑进去，使之更加接近实际的运行环境，即通过 个软件进行联合仿真。 第五章总结与展望：对本文的主要工作进行总结，并给出接下来的任务与研究方向。 12 13第二章 交流异步电机矢量控制系统 交流异步电机具有非线性、强耦合、多变量等特点，如果想要获得相对较好的调速性能，应该从它的动态模型出发，通过分析 交流异步电机的磁链和转矩的控制规律来研究高性能异步电机的调速方案。本文提到 的矢量控制就是基于动态模型的高性能的交流电机调速系统的控制方案之一。对于交 流异步电机的矢量控制，就是通过一系列复杂的坐标变换，将交流电 机的模型等效与类似直 流电动机的模型，首先要计算出电机的各种磁链方程，包括定子磁链，气隙磁 链，转子磁链。这些都要通过电机的等效电路来计算。但需要注意的是感应电机的转 子电流测量起来比较困难，所以需要通过气隙中转来将它等效成定子电流。上一步完 成之后接下来要进行一系列复杂的坐标变换，首先通过三相坐标系到两相坐标系的变换，变成静止的