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中北大学学位论文 电动车动力控制系统设计与仿真 摘要 随着我国车辆保有量的增加，环境污染和能源短缺两大问题将更加突出，电动车由 于污染小、节能两大优势已成为世界各国研究的焦点。电机驱动动力系统作为电动车的 关键组成部分，一直为广大学者所关注，而异步电机以其体积小，价格低，维护简单等 优点在电动车动力系统中得到了最为广泛的应用。 本文根据异步电机多变量、非线性、强耦合数学模型的特点，将异步电机由三相静 止坐标下的各变量变换到两相同步旋转坐标系下，并建立了坐标变换模型；利用转子磁 场定向技术，将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，做到分别控制磁通和转 矩，对交流电机实现类似直流电机的转速控制与调节，以获得快速响应和精确的控制目 标。 在分析按转子磁场定向的矢量控制基本原理及推导控制方程式的基础上，建立了按 转子磁场定向的矢量控制结构框图；设计了转子磁链观测器以及磁通、转速和转矩三个 调节器；在分析电压空间矢量( s v p w m ) 的基本原理及控制算法基础上，建立了s v p w m 的m a 叮a b s i m u l i n k 仿真模型，并进行了仿真。 基于矢量控制结构框图，在m 棚a b s i m u u n k 平台上，对按转子磁场定向的矢 量控制系统进行建模，对整个系统就空载起动、带负载起动、加载、减载、加速、减速 等情况分别进行了仿真，通过对仿真结果进行分析，表明该控制系统静态稳定性好、动 态反应快、超调小。而后在整车中的仿真结果也表明该系统驱动的电动车具有很好的起 动、加速能力及良好的动态响应能力和静态稳定性，能够满足电动车的动力性能要求。 关键词：电动车，动力系统，矢量控制，设计与仿真 中北大学学位论文 d e s i g na n d s i m u l a t i o no fp o w e rc o n t r o ls y s t e mf o r e l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gq u a n t i t yo fo u rc o u n t r y sv e h i c l e ，t h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n d t h es h o r t a g eo fe n e r g y ( t w om a j o rp r o b l e m s ) w i l lb em o r ep r o m i n e n t ，b e c a u s et h ee l e c t r i c a u t o m o b i l ep o l l u t e ss l i g h t l y , a n dc o n s e r v e se n e r g y ，i th a sb e c a m et h ef b c a lp o 硫f o rv a r i o u s c o u n t r i e st or e s e a r c h t h em o t o r - d r i v e ns y s t e mt a k e se l e c t r i ca u t o m o b i l e sk e yc o n s t i t u e n t ， h a sb e e na l w a y sp a i da t t e n t i o nb yt h eg e n e r a ls c h o l a r s ，w h i l et h ea s y n c h r o n o u sm a c h i n ei s s m a l lb yi t sv o l u m e ，t h ep r i c ew a sl o w , m a i n t a i ni ss i m p l ea n ds om a n ym e r i t s ，t h u si to b t a i n s t h em o s tw i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h ee l e c t r i ca u t o m o b i l ed r i v i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ea s y n c h r o n o u sm o t o r sm u l t i v a r i a b l e ，m i s a l i g n m e n t ，t h ec l o s ec o u p l i n g m a t h e m a t i c a lm o d e lc h a r a c t e r i s t i c , t h i sa r t i c l et r a n s f o r i l l s a s y n c h r o n o u sm a c h i n e sf r o m t h r e e - p h a s es t a t i cc o o r d i n a t eu n d e rv a r i o u sv a r i a b l e st ot w op h a s es y n c h r o n i s mr e v o l v i n g c o o r d i n a t es y s t e m ，a n dh a se s t a b l i s h e dt h ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nm o d e l ；u s i n gr o t o r m a g n e t i cf i e l dd i r e c t i o nd e t e c t i o nt e c h n o l o g yt od e c o m p o s et h es t a t o rc u r r e n ti n t ot h ee x c i t i n g c u r r e n tc o m p o n e n ta n dt h et o r q u ec u r r e n tc o m p o n e n t ，s ot h a tw ec o u l dc o n t r o lt h em a g n e t i c f l u xa n dt h et o r q u es e p a r a t e l y , r e a l i z et h es i m i l a rd i r e c tc u r r e n tm a c h i n e ss p e e dc o n t r o la n d t h ea d j u s t m e n tt ot h ea l t e r n a t i n gc u r r e n tm a c h i n e ，o b t a i nt h ef a s tr e s p o n s ea n dt h ep r e c i s e c o n t r o lo b j e c t i v e i na n a l y s i sa c c o r d i n gt or o t o rm a g n e t i cf i e l dd i r e c t i o nd e t e c t i o nv e c t o rc o n t r o lb a s i c p r i n c i p l ea n di ni n f e r e n t i a lr e a s o n i n gc o n t r o le q u a t i o nf o u n d a t i o n 1e s t a b l i s h e dc o n t r o l s t r u c t u r ed i a g r a mw h i c hi s a c c o r d i n gt ot h er o t o rm a g n e t i cf i e l dd i r e c t i o nd e t e c t i o n ；i d e s i g n e dt h er o t o rf l u xl i n k a g es i g h ta sw e l la st h em a g n e t i cf l u x ，t h er o t a t i o n a ls p e e da n dt h e t o r q u et h r e er e g u l a t o r s ；o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gt h eb a s i cr u l ea n dc o n t r o la l g o r i t h m ，i e s t a b l i s h e das i m u l i n ks i m u l a t i o no ft h es v p w m o na c c o u n to fv e c t o rc o n t r o ls t r u c t u r ed i a g r a m ，i nt h em 棚ab s i m u u n kp l a t f o r i n ， m o d e l i n gv e c t o rc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sa c c o r d i n gt ot h er o t o rm a g n e t i cf i e l d ；n o 1 0 a do ft h e w h o l es y s t e mt os t a r t ，s t a r t i n gw i t hl o a d ，l o a d ，r e d u c ec o n t a i n e d ，a c c e l e r a t i o n ，d e c e l e r a t i o n a n do t h e rs i t u a t i o n sw e r es i m u l a t e d ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ts h o w st h a t t h es t a t i c s t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e m ，d y n a m i cf a s tr e s p o n s e ，s m a l lo v e r s h o o t ，c o u l dm e e tt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h ee l e c t r i cv e h i c l ep o w e rs y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，p o w e rs y s t e m ，v e c t o rc o n t r o l ，d e s i g na n ds i m u l a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：至垄丝日期：诊苫动们蜘 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：盗盔 日期：舻矿知绒于q 导师签名： 墨型琴 bj ： 星竺呈生墨姻 中北大学学位论文 1 1 研究背景及意义 1 绪论 汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力，然而随着汽车保有量的逐年增加，环 境污染加重和能源消耗过多两大问题日益突出。电动汽车以其污染小、噪音小、节约能 源、控制和维护简单等较传统燃油汽车的突出优点，受到人们的广泛重视。8 0 年代以 来，电动汽车的研制热潮在全世界范围内兴起，其中在欧洲、北美和日本等地水平较高， 发展较快，正在逐步由样车试制向批量商业化生产的方向发展。虽然我国的燃油汽车工 业与国际有较大差距，但我国电动汽车的研制还是紧随世界先进技术的步伐，成为中国 汽车工业赶超世界先进水平的一个大好时机。因此，对电动汽车及其相关控制技术的研 究有重要意义。 电动车的发展有赖于技术的进步，尤其是进一步提高动力系统的性能，降低其成本。 目前由于蓄电池、逆变器等关键部件的价格偏高致使电动汽车价格高于燃油汽车，但电 动汽车运行成本低，从今后的发展和普及推广考虑，其价格将会明显降低。因此电动汽 车必然成为运输车辆更新换代的方向，电动汽车的推广使用也是当代车辆运输的又一重 大改革。 电动汽车主要由电机驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统这三个子系统 组成。电动汽车的电机驱动系统接受蓄电池输出的电能，将其转化为机械能，再以电机 的输出轴作为驱动轴，通过传动系统，将动力传送到车轮上，驱动电动汽车行驶1 1 1 。 由此可见，电机驱动控制系统是电动汽车的关键组成部分，在很大程度上决定了车 辆的动态性能，是实现电动汽车调速和驾驶的关键部件，必须符合驾驶性能和车辆动力 性能要求。目前，国内外对电动车电机驱动系统的研究都很多，主要集中在新型电机的 应用、电机驱动系统控制策略的改进这两个方面i 2 j 。 由于控制系统的针对性比较强，需要根据不同的电机选用不同的控制方案。早期的 电动汽车主要采用直流电机驱动，直流电机存在过载能力小、维护困难、转矩质量比小 等缺陷。而交流电机具有体积小、结构简单、坚固耐用、运行可靠、制造成本低、易于 维护等特点，在电动汽车上得到了广泛的应用。 1 中北大学学位论文 近年来，交流电机的控制技术取得了突破性的进展，矢量控制理论解决了交流电机 的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，在经过按转子磁场定向的 同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电机的 磁链和转矩分别控制的目的，实现了对异步电机转矩的动态控制，其调速系统能够提供 电动汽车需要的动力性能。由于其控制系统非常复杂，一方面利用计算机技术和仿真系 统对控制系统进行建模和仿真分析，能够快速地修改控制方案和更改电机参数，提高控 制性能、节省成本、缩短开发时间。另一方面通过对电机驱动系统的组成部件建模仿真， 能够分析部件及系统的特性，优化控制算法，为优化整个电动汽车系统打下基础。最后， 仿真结果直观，方便了电机控制系统的设计，具有较高的实用价值。因此建立有效的异 步电机矢量控制系统仿真模型是有必要的。 本文以某总质量为5 吨的电动货车设计课题为背景，主要设计了电动货车驱动电机 控制系统，并对系统进行了仿真分析。 1 2 电动汽车驱动系统概述 电动汽车驱动系统由牵引电机、控制系统( 包括电机驱动器、控制器及传感器) 、机 械减速及传动装置、车轮等构成。控制系统接收加速踏板( 相当于燃油车的油门) 、刹车、 停车、前进、倒车、空挡、转向盘的输出信号，经过信号处理，输入到电机驱动器，控 制驱动电机的转速和转矩，再通过机械传动装置，驱动车轮。 1 2 1 电动汽车对驱动系统的基本要求 电动汽车的性能与其动力驱动系统的性能密切相关，电机驱动系统除了具有普通电 气传动的共性外，还应满足电动汽车特定用途的要求。电动汽车在运行过程中要求能频 繁启动、加速、制动、上下坡、快速超车、紧急刹车；能适应雪天、雨天、盛夏、严冬 等恶劣天气条件；能承受道路的颠簸震动，同时还要保证司乘人员的舒适与安全。因此， 电动汽车电机驱动系统应该满足以下几点要求【4 1 1 5 】： ( 1 ) 基速以下输出大转矩以适应快速启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等要求， 基速以上输出恒功率、宽转速范围，以适应最高车速和公路飞驰、超车等要 求： 2 中北大学学位论文 ( 2 ) 整个转矩转速运行范围内的效率最优化，以谋求电池一次充电后的续驶里 程尽可能长； ( 3 ) 电机及电控装置结构坚固、体积小、重量轻、抗颠簸振动； ( 4 ) 操纵性能符合司机驾驶习惯，运行平稳，乘坐舒适，电气系统失效保障措施 完善； ( 5 ) 单位功率的系统设备价格尽可能的低。 电机是电动汽车驱动系统的核心，其性能、效率、重量等直接影响电动汽车的性能， 为达到对电动汽车续航能力及在复杂工况下安全运行的要求，电动汽车驱动电机要满足 以下要求： ( 1 ) 电动汽车驱动电机应具有瞬时功率大、过载能力强( 过载4 - - 5 倍) 、加速性 能好，使用寿命长的特点； ( 2 ) 电动汽车驱动电机应具有宽的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转 矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求：在恒功率区， 要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面上能够高速行驶的要 求： ( 3 )电动汽车驱动电机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回 蓄电池，使得电动汽车具有最佳的能量利用率； ( 4 )电动汽车驱动电机应在整个运行范围内具有高的效率和高的功率密度，从而 能够降低车重，延长续驶里程； ( 5 ) 电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计，可靠性好，能 够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低， 使用维修方便，价格便宜等。 1 2 2 电动汽车驱动系统中各种电机性能比较 电动汽车电机驱动系统可以按照驱动电机的不同进行分类，但不论哪一类电机驱动 系统，都必须对它进行控制，使其满足电动汽车的特殊运行要求。目前应用在电动汽车 驱动系统中的电机既有传统的直流电机和异步电机，也有新型的永磁同步电机和开关磁 阻电机。早期电动汽车驱动系统多采用直流电机驱动系统，但因其自身不可克服的缺点 3 中北大学学位论文 受到限制。电动汽车用电机逐渐由直流向交流发展，直流电机基本上已经被交流电机、 永磁电机或开关磁阻电机所取代。各种电机性能【6 】如表1 1 所示。 表1 1 各种电机性能 交流感应电机开关磁阻电 直流电机永磁无刷电机 ( 异步电机) 机 控制简单，只用电压控结构简单，体积小，质量小，体积小，重量轻，结构简单，牢 制，动态、调速特性良好，造价低，运行可靠，转矩脉响应快，功率密度固，效率高， 优不需检测磁极位置，小容动小，噪声低，转速极限高，和能量密度高，低起动转矩大， 点量系统造价低，技术成不需要位置传感器，调速范速输出转矩大，效适合高速运 熟。围大，转矩波动小，维护简率高，维护简单行，价格低， 单，控制技术成熟。免维护。 有电刷和换向器，体积与控制复杂，容量小时效率降高速运行时较交噪音大，输出 质量大，结构复杂，不适低，制动困难。流电机复杂，需检转矩脉动大。 缺合高速、大转矩运行，效测转子磁极位置， 点率低，环境适应性差，维永磁体有退磁问 护难，容量增大造价大幅题，造价较高。 增加且制造困难 电动汽车与其它电力拖动系统不同，它需要经常变换运行方式，尤其在城市行驶 状态下，这就要求电机驱动系统响应迅速、调速范围宽、性能稳定。从表1 1 可以看出， 在采用适当的控制策略条件下，交流异步电机、永磁无刷电机都能满足这种要求，而直 流电机、开关磁阻电机相对来说有些不足，另外开关磁阻电机由于转矩波动及电机噪音 过大，在电动汽车中没有获得广泛应用。 永磁无刷电机具有较高的功率密度，其控制方式与感应电机基本相同，这类电机具 有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，适应于电动汽车的驱动系统， 有极好的应用前景，但其缺点也很明显，即驱动电路复杂，成本高，还处于实验阶段。 目前在电动汽车中应用较多的是异步电机，它的优点是性能稳定、调速范围宽。且 一般为鼠笼电机，其定、转子是由层叠的薄硅钢片组成，这样减少了电机损坏，提高了 效率。鼠笼异步电机质量小，结构紧密，维护简单，其运用在电动汽车上的传动效率高 于8 2 ，在同样电池容量的情况下，大大提高了电动汽车的续航能力，这对缩短电动汽 车的市场化进程尤为重要。 通过对各种电机性能进行比较，选定用异步电机作为本文电动汽车驱动电机。 1 2 3 电动汽车异步电机的选择 4 中北大学学位论文 正确选择电动机的额定功率非常重要。如果选择过小，电动机经常在过载状态下 运行；相反，如果选择太大，电动机经常在欠载状态下运行，效率及功率因数降低，不 仅浪费电能，而且增加动力电池的容量，综合经济效益下降川。 通常，从保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率i 引。最高车速虽 然只是汽车动力性能的一个指标，但它实质上也反映了汽车的加速能力和爬坡能力，所 选择的电动机功率应不小于汽车在良好路面上以最高车速行驶时的阻力功率之和，即 e , - 旁 鑫蒜y 叫 1 ， 式中：p e 一电动机额定功率，k w ； r i 一电动汽车机械传动效率； g 一整车总重量，n ： 卜滚动阻力系数： v m a x 一最高车速，k m h ； c d - 空气阻力系数； a 车辆迎风面积，m 2 。 在总质量为5 吨的电动货车设计课题中，初步确定迎风面积a = 3 m 2 、最高车速 v n 啦= 9 0k m h ，该车主要用于城市垃圾运输，大多时间在良好的路面上工作，取滚动阻 力系数f = 0 0 1 2 ，空气阻力系数c d = 0 5 ，机械传动效率q = 0 9 7 。 根据工作条件及经验公式估算初步选定电机的额定功率p e = 3 0 k w 。 本文初步选用异步电机的主要技术参数为：额定功率p e = 3 0 k w ，最大功率 p m a x = 1 0 0 k w ，额定工作频率f e = 1 2 0 h z ，额定电压u e = 2 0 0 v ，定子电阻r s = 0 0 1 0 9q ， 定子电感l s = 1 4 3 6 1 0 3 h ，转子电阻r r = 0 0 0 8q ，转子自感l r = 1 4 7 2xl f f 3 h ，互感 l m = 1 3 8x 1 0 h ，极对数p n = 2 ，转动惯量j = 0 3 7 9 k g m 2 。 1 2 4 电动汽车异步电机驱动系统控制策略 异步电机驱动系统比较其他电机驱动系统而言，具有费用低、可靠性高、调速范围 宽、转矩波动小等优点。异步电机己经成为在现代电动汽车上应用最为广泛的驱动电机 之一。 5 中北大学学位论文 异步电机的调速控制技术主要有恒压频比( v v v f ) 控制、转差频率控制、矢量控 制( v c ) 和直接转矩控制( ( d t c ) 。在2 0 世纪9 0 年代以前，主要以脉宽调制( p w m ) 方式实现w 控制和转差频率控制。v w f 控制方法简单，容易实现，但该方案基 于异步电机的稳态特性，属于标量控制，由于缺乏对电机转矩的直接控制，带载能力差， 动态响应慢，控制效果不理想。此外，低速时定子电阻和死区互锁时间影响加剧，使得 低速转矩特性严重下降，可能产生低频振荡和不稳定现象1 9 j 。 转差频率控制能在一定程度上控制电机的转矩，相对于开环的w 控制其动态 性能有所提高，但转差频率控制是以电机的稳态方程为基础设计的，并不能真正控制动 态过程中的转矩。因此，这两种控制技术一般只应用于调速精度不高的场合，不适合频 繁起动、加减速的电动汽车。 。 目前研究的热点主要是基于空间矢量概念下的磁场定向的矢量控制、直接转矩控 制、空间电压矢量p w m 等三方面之间展开的，它们的共同点就是力求实现转矩、励磁 控制量解耦，使交流电机的输出控制特性接近或达到直流电机的水平。 1 9 7 1 年德国e b l a s c h k e 提出了转子磁场定向的矢量控制( ( f o c ) ，矢量控制技术以 经过坐标变换的电机动态模型为基础，利用坐标旋转变换技术实现了定子电流励磁分量 与转矩分量的解耦，使得交流电机在理论上能像直流电机一样对励磁和转矩进行独立控 制，获得像直流电机一样良好的动态性能。但是它仍存在着缺点：坐标变换繁复、计算 复杂、对电机参数的依赖性大，不能实现完全的参数解耦等问题【l o l 。 上世纪8 0 年代中期德国的m d e p c n b r o c k 提出了定子磁场控制的直接转矩控制技 术( d t c ) 。日本的l t a k a h a s h i 和g u c h i 也在同一时期提出了该技术，直接转矩控制是 在两相静止坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的磁链和转矩。直接转矩控制 磁通估算所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，因此直接转矩控 制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制把转矩 直接作为被控量，直接控制转矩，既不需要模仿直流电机的控制，也不需要对电机模型 进行解耦，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算，且转矩响应迅速，动静态特性优 良。该技术经过发展与完善，已经成为研究的热点。 近年来，基于空间矢量的概念，又发展出了空间电压矢量p w m 技术( s v p w m ) ， 该技术考虑利用电压矢量合成期望电压矢量值去控制电机，其控制结构简单，特别适合 6 中北大学学位论文 数字化实现；开关频率低、效率高，与常规的s p w m 比较，在减少电机电流谐波损耗、 提高母线电压利用率上具有明显的优势。 综上所述，直接转矩控制手段直接、结构简单、动态转矩响应迅速且无超调以及 对参数鲁棒性好，但有低速转矩脉动大的缺点。矢量控制系统具有更好的低速稳态性能， 有宽的调速范围，但控制复杂，控制性能易受参数变化影响。 异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势， 因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品( 尤 其在美国) 。如何准确、快速的辨识异步电机转子电阻，以提高整个矢量控制系统的鲁 棒性，一直以来是国内外研究的重点。 1 2 5 矢量控制方案 目前交流电机矢量控制方法应用较多、比较成熟的有四种。它们基于不同的控制思 路，有着各自的优缺点，应用于不同的领域1 1 3 l 。 ( 1 ) 转差频率矢量控制 转差频率矢量控制又叫间接磁场定向矢量控制，该方案避免了磁通的闭环控制， 不需要实际计算转子磁链的幅值和相位，结构简单，所能获得的动态性能基本上可以达 到直流双闭环控制系统的水平。然而间接磁场定向控制中对转子时间常数比较敏感，当 控制器中这个参数不正确时，计算出的转差频率也不正确，得出的磁通旋转角度将出现 偏差，即出现定向不准的问题。这种控制方法可以低速稳定运行，因而在许多接近零速 运行的场合中广泛应用，不适合高性能的电机控制系统。 ( 2 ) 气隙磁场定向矢量控制 气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系中存在藕合，需要增加解耦器，这使得 它比转子磁通的控制方式复杂，但具有一些状态能直接测量的优点，比如气隙磁通。同 时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理饱和 效应。 ( 3 ) 定子磁场定向的矢量控制 定子磁场定向的矢量控制方案，是将参考坐标系的d 轴放在定子磁场方向上，使定 子方程大大简化，有利于定子磁通观测器的实现。在磁通闭环控制系统中，这种控制方 7 中北大学学位论文 法在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通观测器，非常易于实现，且不包括对温度 变化非常敏感的转子参数，加解耦控制后可达到相当好的动静态性能，同时控制系统结 构也相对简单。然而低速时，由于定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电动势测量 误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。定子磁场定向的矢量控制系统适用 于大范围弱磁运行的情况。 ( 4 ) 转子磁场定向的矢量控制 转子磁场定向的矢量控制方案，缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受 转子时间常数的影响较大，降低了系统的性能。但是它达到了完全的解耦控制，无需增 加解耦器，控制方式简单，具有较好动态性能和控制精度。 1 3m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境 m a 3 3 _ a b 是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一体的科学计算语言。 它有如下优势与特点：友好的工作平台和编程环境，简单易用的程序语言，强大的科学 计算及数据处理能力，出色的图形处理功能，应用广泛的模块集和工具箱，实用的程序 接口和发布平台，模块化的设计和系统级的仿真【u 】。 s i m u l i n k 是m a t l a b 语言的扩展，是基于w i n d o w s 环境下对动态系统进行建模、仿 真和分析的软件包，支持线性、非线性和多种采样速率系统，能够在连续、离散及两者 混合时间域里进行建模1 1 2 l 。 m 棚a b s i m u l i n k 是开放的编程环境，有比通常用微分方程和差分方程建模的 软件方便灵活和直观的优点，且它为用户提供了丰富的模型库，允许用户开发自己所需 的模型。 通过组成封装扩充现有的模型库，建立自己模型库的方法有： ( 1 ) 利用s i m u l i n k 提供的模型组合成新模型； ( 2 ) 使用m a t l a bf u n c t i o n 模型调用m a t函数，适合于构造y = f ( x ) 型 的函数： ( 3 ) 通过s f u n c t i o n 模型构造，适合于解决微积分方程。 其中方法( 1 ) 、( 2 ) 适合于构造简单的模型，而方法( 3 ) 可用于构造复杂的模型，它按 标准的d x d t 。a x + 尻的形式编程，可构造多输入、多输出、非线性、强耦合的复杂多 8 中北大学学位论文 变量系统，编程方式灵活、简洁、计算速度较快。 1 4 本文研究内容 本文从实际应用出发，以电动汽车用异步电机为控制对像，设计了异步电机按转 子磁场定向的矢量控制系统，并进行了仿真分析。 本文主要研究内容： ( 1 ) 对电动汽车驱动系统用各种电机性能及控制方案进行了对比分析，最后选定 异步电机作为本系统的驱动电机，按转子磁场定向的矢量控制方案作为本文 的控制方法； ( 2 ) 通过坐标变换，给出了异步电机在两相坐标系下的数学模型，并建立了坐标 变换模型，进行了磁通调节器、转速调节器、转矩调节器及转子磁链观测器 的设计，进行了电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 控制算法的仿真设计； ( 3 ) 从矢量控制的基本原理出发，在坐标变换和电压空间矢量控制技术的基础 上，针对多变量、非线性、强耦合异步电机，设计了电动汽车异步驱动电机 按转子磁场定向的双闭环矢量控制系统； ( 4 ) 在m a a b s i m u l i n k 环境下建立了控制系统仿真模型，并进行了控制系 统的动、静态性能的仿真分析； ( 5 ) 将整个控制系统用于整车中，就电动汽车起动、加速、稳定性及动态响应性 能进行了仿真分析。 9 中北大学学位论文 2 电动汽车异步电机的多变量数学模型 2 1 异步电机动态数学模型的性质 直流电机的磁通由励磁绕组产生，可以事先建立起来而不参于系统的动态过程( 弱 磁调速除外) ，因此它的动态数学模型只有一个输入变量电枢电压，一个输出变量转速， 在工程上能够允许的一些假定条件下，可以描述成单变量( 单输入、单输出) 的三阶线性 系统，完全可以应用经典的线性理论和它发展出来的工程设计方法进行分析和设计。 但是，用同样的理论和方法来分析、设计交流调速系统，就不方便了。必须在做 出很强的假定得到近似的动态结构图，才能沿用。因为交流电机的数学模型和直流电机 数学模型相比有着本质上的区别【1 5 1 。其特征如下： 1 ) 异步电机的是一个多输入多输出复杂系统。异步电机在变频调速时需要进行电 压( 或电流) 和频率的协调控制，有电压( c a 流) 和频率两种独立的输入量，如果考虑电压 是三相的，实际输入的变量还要多。在输出变量中，除转速外，磁通也算一个独立的输 出变量。因为电机只有一个三相电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，但为了 获得良好的动态性能，还希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定， 才能发挥较大的转矩。 2 ) 异步电机是一个非线性、强耦合系统。异步电机不但是一个多变量的系统，并 且电压( 电流) 、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以是强耦合的多变量系统。在异 步电机中，磁通乘以电流产生转矩，转速乘以磁通得到旋转等感应电动势，由于它们是 同时变化的，在数学模型中就会含有两个变量的乘积项，这样一来，即使不考虑磁饱和 等因素，电机的数学模型也是非线性的。 3 ) - - - 相异步电机定子有三个绕组，转子也可以等效为三个绕组，每个绕组产生磁 通时都有自己的电磁惯性，再加上运动系统的机电惯性，即使不考虑变频装置的滞后因 素，模型至少也是一个七阶系统。 总之，异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 1 0 中北大学学位论文 2 2 异步电机在三相静止坐标系上的数学模型 在研究异步电机的多变量非线性数学模型时，常作以下假设： ( 1 )忽略空间谐波，设三相绕组对称( 在空间互差1 2 0 电角度) ，所产生的磁动势 沿气隙圆周按正弦规律分布； ( 2 )忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； ( 3 )忽略铁心损耗； ( 4 )不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 无论电机转子是鼠笼式的还是绕线式的，都将它等效成三相绕线转子，并折算到定 子侧，折算后的每相匝数都相等。这样，实际电机绕组就被等效为图2 1 所示的三相异 步电机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的，以a 轴为 参考坐标轴；转子绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转，转子a 轴和定子a 轴间的电角度口为 空间角位移变量，并规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电机惯例和右手螺旋定 则。这时异步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。 a 2 2 1 电压方程 图2 1 三相异步电机的物理模型 三相定子绕组的电压平衡方程为 1 1 ( 2 1 ) 妒缈儿础刖砷 + + + 凡蜀胁 且 c 1 1 z 蕾 摹 l 口 c 比 比 “ 中北大学学位论文 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程式为 i n 。1 f 。r 2 + p c u 6 = i b r 2 + p 妒 卜。_ f 。尺2 + p 缈。 式中 u a , u 口，u c ，u 。，u 6 ，i i 。为定子和转子相电压瞬时值； ，f 。，t 为定子和转子相电流瞬时值； 妒_ ，妒日，妒c ，妒。，妒6 ，妒。为各项绕组全磁链； 墨，r ：为定子和转子绕组电阻： p 为微分算子，代替微分符号d 出。 将电压方程写成矩阵形式 或写成 2 2 2 磁链方程 r 1 00 0 r 1 0 00 r 000 000 000 0o0 oo0 o0o r 2 00 0 r 2 0 00 r 2 u - r i + p i p 缈_ 妒口 1 妒c 叩i ；f ，= 缈6 缈。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此，六个 绕组磁链可表述为 妒 妒口 妒c 妒。 妒6 妒。 l “l 柚 朋 工肋 三a三。 l “l 曲 工鲥 三蝴 l d工胡 i i i l 肋工l i 口 c 4西 工i i c l 。工曲 工础ll 。 工k工砧工6 ci | 三。丘扫工口ji f c 1 2 ( 2 5 ) 口 c 4 6 c “ “ 比 h 比 中北大学学位论文 或写成 妒- l i ( 2 6 ) 式中l 是6 x 6 阶的电感矩阵，其中对角线元素l 从、l b b 、l c c 、l a a 、k 、l c , c 是各有 关绕组的自感，其余各项则是绕组间的互感。 对于每一项绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通与漏感磁通之和，因此，定子和 转子各相自感为 工删；l b s = l c cm r l l la m l 。l + l n ( 2 7 ) 上埘一l 砧一l 。一l 笠- l 。2 + 工f 2 ( 2 8 ) 式中 工。，工恐一定子和转子自感； 厶，工，：一表示与漏磁通对应的定子和转子每相漏感； l 。一l ：一表示与最大互感磁通对应的定子和转子互感。 两相绕组之间只有互感。定子和转子的六个绕组之间的互感可考虑有两类：一类是 a 、b 、c 相绕组及毛b ，c 相绕组之间因位置固定，故互感为常数；另一类是定子任一 相与转子任一相之间的位置是变化的，互感是角位移目的函数。第一类，由于三相绕组 的轴线在空间的相位差是1 2 0 度电角度，在假设气隙磁通为正弦分布的情况下，互感值 为k 1c o s l 2 0 。= l 。lc o s ( - 1 2 0 0 ) 一l 1 2 ，于是 工加一船。a - l 删一l c - l c b = - - ! ，l 1 ( 2 9 ) l 曲。k 。l 。三k 工。工曲。一吾。l ( 2 1 0 ) 第二类，定、转子间的互感分别为 l 山一三“一三肋- l ”= 工圮一l c c 一三。1 c o s 0 ( 2 1 1 ) l a b - l m l 一l , b l c 。t l 血一l ，1 c o s ( o + 1 2 0 ) ( 2 1 2 ) l a c l aa 三神t 工砌一l c 6i n l mi n l 。l c o s ( 0 - 1 2 0 ) ( 2 1 3 ) 当定、转子两相绕组轴线重合时，两者之间的互感值最大。将式( 2 7 ) 式( 2 1 3 ) 都代入式( 2 5 ) 中即得完整的磁链方程，为了方便起见，将它写成分块矩阵的形式 1 3 中北大学学位论文 阶( 主二跏：) 式中 定子磁链缈，- _ 妒口妒c ) t ； 转子磁链吵，一。缈。妒。) t ； 定子电流一“i 量i c ) t ； 转子电流- 也f c ) t ； ，工。l + 三n 一三。l 2 一工。1 2 定子自感矩阵工。一i l 。2 l 。+ 三n- l 。2l ； i 一i 2 一三。l 2三。l + 厶lj f l 。l + 工，2 一工。l 2 一工。l 2 、 转子自感矩阵三，r l l 。2工。+ 厶2 一l 。2i ； i l l 2 一工。l 2k l + 厶2j 定子、转子之间的互感矩阵 。工：。三。lc o s ( o + 1 2 0 。) c o s o l lc o s ( o 一1 2 0 0 ) c o s ( o 一1 2 0 0 ) c o s 0 c o s ( o + 1 2 0 0 ) ( 2 1 4 ) 值得注意的是，工。和三。两个分块矩阵互为转置，且均与转子位置有关，它们的元 素均是转子位置角0 的函数，这正是系统非线性的一个根源。为了把变参数矩阵变为常 参数矩阵还需利用坐标变换。 把磁链方程式( 2 5 ) 代入电压方程式( 2 3 ) ，则得展开后的电压方程为 口一尉+ p 仁r ： - r i + 工妄+ ( 警y 一尉+ l 妄+ 历d l ，伽 ( 2 1 5 ) 式中磁出项属于电磁感应电动势中的脉变电动势( 或称变压器电动势) ， ( d l i d o ) 0 3 i 项属于电磁感应电动势中与转速0 3 成正比的旋转电动势。 2 2 3 转矩方程 按照机电能量转换原理，可求出异步电机电磁转矩的表达式 1 4 、l_ii_-、 、-，、j 0 0 2 心心口 + 一 埯 弘 瞄 义义 中北大学学位论文 tl p l m l 【也i 。+ i b i 6 + i c i 。) s i n 日+ 也i 6 + i b i 。+ i c i ) s i n ( 8 + 1 2 0 。) ( 2 1 6 ) + ( i a i 。+ i 。+ f c i b ) s i n ( o - 1 2 0 0 ) 】 式中t c 一电磁转矩； p n 一电机的磁极对数。 2 2 4 运动方程 作用在电机轴上的转矩与电机速度变化之间的关系可以用运动方程来表达，一般情 况下，电气传动系统的运动方程式为 t 。疋+ 三丝+ 旦+ 墨口 ( 2 1 7 ) 只出只只 式中 t l _ 负载阻力矩( n m ) o 卜机组的转动惯量( k g m 2 ) ； 一转子旋转电角速度； d 一旋转阻尼系数； k 扭转弹性转矩系数。 对于恒转矩负载，d = 0 ，k = 0 ，则 瓦一瓦专警 将上述式( 2 1 5 ) 、式( 2 1 6 ) 、式( 2 1 8 ) 综合起来， 机的多变量非线性数学模型 ( 2 1 8 ) 便构成在恒转矩负载下三相异步电 口一r i + ( 讲, i t ) + o ( a z d o ) i t 哪专警 mtd o d t 2 3 坐标变换及其模型的建立 ( 2 1 9 ) 由以上方程式可知，异步电机的强耦合性主要表现在磁链和转矩方程式中，既有三 相绕组之间的耦合，又有定、转子绕组之间的耦合，还存在转矩方程式中磁场与定、转 1 5 中北大学学位论文 子电流之间的相互影响。由于各变量之间的强耦合性，使得异步电机的数学模型很复杂， 要分析和求解非常困难，所以按照不同坐标系下产生的磁动势相同，通过坐标变换，使 异步电机复杂的动态数学模型简化为比较简单的等效直流电机数学模型，然后再用直流 电机的控制方式去处理它。 研究矢量控制时定义了三种坐标系，即三相静止坐标系( 3 s ) a 、b 、c 、两相静 止坐标系( 2 s ) a 、卢、两相旋转坐标系( 2 r ) m 、t 。以产生相同的旋转磁动势为原 则，图2 2 a 的三相交流绕组、图2 2 b 的两相交流绕组和图2 2 c 中整体旋转的直流绕组 彼此等效。即在三相坐标系下的，f c ，在两相坐标系 h j i 口，