（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车用永磁同步电机控制系统研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 电动汽车以电能为能源，具有零排放无污染的突出优点，开发前景十分广 阔。驱动电机及其控制系统是电动汽车动力系统中的核心部分。本文研究基于 d s p 的永磁同步电机控制系统及其智能控制算法。 本文首先介绍了电动汽车的基本结构，在对电动汽车的各种驱动电机的性 能进行分析和比较的基础上，选择永磁同步电机作为电动汽车的驱动电机。然 后，分析了永磁同步电机的结构特点，通过坐标变换建立永磁同步电机的数学 模型。研究了永磁同步电机的矢量控制算法，结合矢量控制技术，推导了永磁 同步电机在d 一日坐标系上的线性解耦状态方程，并重点研究了一0 控制与弱 磁控制两种控制算法的实现方案。研究了速度环、电流环p i d 控制算法，并构 建了m a t l a b s i m u l i n k 环境下的永磁同步电机控制系统仿真模型。 在矢量控制理论研究的基础上，设计了整个系统硬件电路。根据电动汽车 的要求完成了档位输入电路、油门给定电路、速度检测显示电路和通讯电路等 电路的设计。运用c 语言和汇编语言混合编程的方法，设计了系统主程序和中 断服务程序，给出了p w m 中断服务模块、故障中断服务模块、s c i 通信中断 服务模块以及档位中断服务模块的设计方案和详细流程图，并在 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 开发板硬件条件下进行了系统调试。 最后对电动汽车永磁同步电机智能控制算法进行了研究，给出了一种用于 永磁同步电机速度控制的模糊自整定p i d 控制器。仿真结果表明，模糊自整定 p i d 控制响应速度快，超调量小，抗扰性能强，适合电动汽车工况要求。 关键词：电动汽车，永磁同步电机，矢量控制，d s p ，模糊自整定p i d 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a ( 了r e l e c t r i cv e h i c l e ，w h i c ht a k e se l e c t r i c a le n e r g ya si t sp o w e r , h a sq u i t ew i d e f o r e g r o u n db e c a u s eo fi t sz e r o 1 e ta n dn o n p o l l u t i o n 1 1 l ed r i v em o t o ra n di t sc o n t r o l s y s t e ma l eh a r dc o r ei nt h ep o w e rs y s t e mo f e l e c t d cv e h i c l e n cc o n t r o ls y s t e ma n d i t si n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h mo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rb a s e do n d s pa l er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s 1 1 l es t r u c t u r eo fe l e c t r i cv e h i c l ei si n t r o d u c e df i r s t l y o nt h eb a s i so fc o m p a r i n g a n da n a l y z i n ge v e r yk i n do fm o t o r sf e a t u r e p m s mi sc h o s e n 鹪t h ed r i v em o t o rf o r d e c t r i cv e h i c l e t h e nt h es t r u c t u r ef e a t u r eo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r i s a n a l y s i z e d a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d b y c o o r d i n a t e s t r a n s f o r m a t i o n 1 r h ev e c t o rc o n t r o la l g o r i t h mf o rp m s mi ss t u d i e d n el i n e a r d e c o u p l i n gs t a t ee q u a t i o no fp m s m i n d qc o o r d i n a t e ss y s t e mi sa t t a i n e d a f t e r t h 矾- 0c o n t r o lm e t h o da n df l u x w e a k e nc o n t r o lm e t h o da l er e s e a r c h e dd e e p l y ， a n dt h e np i dc o n t r o la l g o r i t h m so fs p e e dl o o pa n dc u r r e n tl o o pa l er e s e a r s h e d u n d e rs i m u l i n ke n v i r o n m e n t t h es i m u l a t i o nm o d e lo fp m s mi sc o n s t r u c t e di nt h e m a t l a b s i m u l i n k o nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gt h ev e c t o rc o n t r o lm e t h o d ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t o fw h o l es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h e e l e c t r i cv e h i c l e ，t h ec i r c u i t so fs p e e dg e a r ，a c c e l e r a t o rs e t t i n g , d e t e c t i o na n d c o m m u n i c a t i o na l ed e s i g n e d 1 n h em a i np r o g r a ma n di n t e r r u p t i o ns e r v i c ep r o g r a mo f t h es y s t e ma l ed e s i g n e db yu s i n gcl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g e t h e nt h e d e s i g np r o j e e l sa n df l o wc h a r t so fp w mi n t e r r u p t i o ns e r v i c em o d u l e ，f a u l t i n t e r r u p t i o ns e r v i c em o d e l ，s c ii n t e r r u p ts e r v i c em o d u l ea n ds p e e dg e a ri n t e r r u p t s e r v i c em o d u l ea l eg i v e n a n dp r o g r a m sa l ed e b u g g e du n d e rt h ec o n d r i o no f t m s 3 2 0 if 2 4 i d 7e v mb o a r d f i n a l l y i n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m sf o rp m s m i ne l e c t r i cv e h i c l ea r es t u d i e d , a n daf u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d 1 n h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h ef u z z ys e l f - t u n i n gp i dh a sq u i c ks p e e dr e s p o n s e ，s m a l lo v e r s h o o ta n dg o o d i i 亟望里三奎堂堡主堂垡堡奎 d i s t u r b a n c er e j e c t i o na b i l i t y ，a n di ti ss u i t a b l ef o r t h ee l e c t r i cv e h i c l e sw o r k i n g r e q u e s t k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , v e c t o rc o n t r o l ， d s p , f u z z ys e l f - t u n i n gp i d 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公稚论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的背景与意义 第1 章绪论 汽车自1 8 8 6 年诞生以来，应用越来越广泛，技术不断发展，己经成为衡量 一个国家物质生活和科学技术发展水平的重要标志，汽车工业己经成为世界经 济和各国经济发展的支柱产业。汽车带给人们方便、快捷和舒适现代生活的同 时，也带来了日益增多的交通安全问题、日趋严重的环境污染和潜在的能源危 机。汽车的发展时刻面临着安全、环保和节能三大主题。世界各国政府和科技 工作者都在探索新途径，一方面控制汽车污染物的排放量，世界各大汽车公司 均积极研发和应用排放新技术，如废气再循环、柴油机废气烟雾微粒过滤装置 等，另一方面推进各种汽车清洁技术的开发和应用，各种超低排放汽车不断面 世，如电动汽车、清洁燃料汽车等。电动汽车由于具有低排放甚至零排放、低 噪声和节能等优点，成为当今汽车研究、开发和推广应用的热点之一。现代电 动汽车融合了电力、电子、机械控制以及化工技术等多种高新技术的综合产品， 是2 1 世纪清洁有效的城市交通工具，它以电力为动力，可以解决石油资源日渐 枯竭的问题。作为清洁、节能的新型交通工具，电动车具有无与伦比的优势， 是唯一可以做到“零排放”的车辆。它在行驶过程中没有污染，热辐射低，噪 音小，不消耗汽油，可应用多种能源，结构简单，使用维修方便，因此受到世 界各国的欢迎。 开发高性能无污染的电动汽车得到各国政府、汽车制造商、科研院所的高 度重视，纷纷制定电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 研制计划，掀起全球范 围内的电动汽车开发热潮。各种电动汽车频频涌现，并迅速推上市场。电动汽 车的研制和开发对我国具有更为重要的意义。我国机动车排放引起的环境污染 日趋严重，极大地影响着人们的生活质量。同时，电动汽车的发展可迅速缩短 我国与发达国家在重要工业支柱产业一汽车工业的差距，并可带动一系列相关 产业和技术的发展。因此电动汽车的研究开发得到我国政府的高度重视。“八五” 期间，国家科委、计委分别组织了电动汽车开发及有关关键技术的攻关工作； “九五”期间，国家科委又将电动汽车列为“九五”重大科技产业工程项目予 以实施，并制订了电动汽车发展目标：在“十五”期间，特别设立8 6 3 计划电 武汉理工大学硕士学位论文 动汽车重大专项，并制定了电动汽车的发展目标啪。2 0 0 8 年的“绿色奥运”的 承诺，更是对我国开发研制电动汽车的激励。 电动汽车的关键问题是一次充电续驶里程，目前在车载蓄电池技术未能突 破的条件下，电动汽车的驱动系统是实现电动汽车基本性能和解决这一关键问 题的重要因素。这要求电动汽车驱动系统应具有尽可能高的转矩密度、良好的 转矩控制能力、较高的运行可靠性及在整个电动汽车调速范围内具有尽可能高 的效率。电动汽车驱动功能的实现涉及电动机、电力电子、微处理器、蓄电池 等多学科领域，是赶超世界汽车行业先进水平的关键。因此系统地研究并开发 出高水平的电动机驱动控制系统，对提高我国电动汽车驱动系统水平，对我国 电动汽车的实用化和产业化具有重要意义。 1 2 电动汽车的基本结构 电动汽车是涉及到机械、电力、电子、计算机控制等多种学科的高科技产 品。电动汽车是由车体、电机驱动、储能电池和能量管理系统组成的，其中电 机驱动系统是最关键的部分之一。电动汽车整体结构图如图卜1 所示。 r 一1 l j 盘 图1 - 1 电动汽车整体结构图 从图1 - 1 可以看出，电动汽车整体结构由驱动子系统、能源子系统和辅助 武汉理工大学硕士学位论文 子系统三部分组成，其关键技术包括蓄电池技术及电池管理，电机技术，电机 驱动控制系统。 1 3 电动汽车电机的发展概况 1 3 1 电动汽车驱动电机的特性 电动汽车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。电动汽车是一种露天运行、结构紧凑、具有车载能源的行 走机械，工况复杂。既要能高速飞驰，又要能频繁启动、制动、上下坡、快速 超车、紧急刹车；既要能适应雪天、雨天、盛夏、严冬、雪后撒盐等恶劣天气 条件，又要能承受道路的颠簸震动，还要保证司乘人员的舒适与安全。电动汽 车的核心，是要用电气传动系统取代机械推进系统，用电池代替汽油作为车载 能源，在零排放或少排放的前提下，满足燃油汽车各项性能、价格指标的要求 嘲。因此，所设计的电机驱动系统应该满足以下几点要求： ( 1 ) 基速以下大转矩以适应快速启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等要求， 基速以上小转矩、恒功率、宽范围以适应最高车速和超车等要求。 ( 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 驰距离尽可能长。 ( 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。 电动汽车驱动电机典型的输出特性主要包括两个工作区：( 1 ) 基速以下的恒 转矩工作区，该区间主要保证电动汽车的载重能力。( 2 ) 基速以上的恒功率工作 区，该区间保证电动汽车有充足的加速空间。 根据以上电动汽车用电机的特性需求，将分析目前主流电机( 直流电机、 异步电机、感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机) 的各种性能及其它们的 驱动特性，从而选择适合于电动汽车用电机，并选择其控制策略。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 电动汽车驱动系统中各种电机性能比较 选用小型轻量的高效电机，对目前电池容量较小，持续行驶里程较短的电 动汽车现状显得尤为重要。目前在电动汽车中，主要的电机有直流电机、感应电 机、永磁同步电机和开关磁阻电机。 直流电机调速方便，改变输入电压或电流就可以对其转矩实现独立的控制， 进行平滑的调速，具有良好的动态特性和调速特性，并且有成本低、技术成熟 等优点。但是，直流电机的绝对效率比较低，体积与质量较大，而且由于存在 电刷与机械换向器，不仅限制了电机的过载能力与速度的进一步提高，而且长 期运行时，碳刷和换向器的维护量大。另外，由于损耗存在于转子上，使得散 热困难，温升增高，限制了电机转矩重量比的进一步提高。由于直流电机存在上 述缺陷，因而在现代电动汽车中应用越来越少。 开关磁阻电机是由磁阻电机和开关电路控制器组成的机电一体化新型调速 电机。开关磁阻电机工作时，依次使定子线圈中的电流导通或截至，电流变化 形成的磁场吸引转子的凸出磁极从而产生转矩。开关磁阻电机结构简单，转子 上没有绕组、磁钢或滑环，适合高速运行。但开关磁阻电机在电动汽车中没有 获得广泛应用的主要原因在于力矩波动及电机噪音过大。1 。 感应电机用于电动汽车主要是由于它具有结构简单，可靠性高，免于维修 等优点，另外矢量控制的应用又使之具有了类似于直流电机的优良特性。故较 多应用于电动汽车之中。但是由于永磁同步电机转子为永磁体，无法调节，必 须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电机 的铜耗。同时，永磁电机的磁钢价格较高，磁性能受温度振动等因素的影响， 过载能力受到限制。表1 - 1 是对各主要驱动电机及其驱动系统的性能比较”1 。 从表l _ 1 中可以看出，永磁电机在功率密度、效率等性能方面均优于异步 电机，今后随着新型永磁材料的开发，永磁材料成本有望降低，永磁电机的价 格会有所下降，从而能有比异步电机更高的性价比。 总体来看，永磁同步电机的特点适合电动汽车对驱动系统的要求： ( 1 ) 体积小，重量轻，转动惯量小，功率密度高( 可达l k w k g ) ；适合电 动汽车空间有限的特点。 ( 2 ) 效率高，功率因数高。基速以下运行不需要励磁电流，可提高功率因 数，减小定子电流，使定子铜耗下降；转子不需要励磁电流，没有转子铜损耗。 4 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1 各种驱动电机的性能 直流电机异步电机永磁同步电机开关磁阻电机 ( d m )( i m )( p m s m )( s p , m ) 控制简单，只用结构简单，造价体积小，重量轻， 结构简单，牢固， 电压控制，不需低，可高速运行，功率密度大，低 效率高，起动转 优检测磁极位置，调速范围大，转速输出转矩大， 矩大，价格低， 点小容量系统造价动惯量小，维护效率高，维护简免维护 低 简单，技术成熟 董 结构复杂，不适 控制复杂，容量高速运行较i m噪音大，输出转 合高速、大转矩小时效率低，制 复杂，需检测转矩脉动大 运行。效率低，动困难 子磁极位置，永 缺环境适应性差，磁体有退磁问 点维护难，容量增题，造价较高 大造价大幅增加 制造困难 ( 3 ) 转矩惯量比大，过载能力强，尤其低转速时输出转矩大，适合汽车的 起动加速。 综合比较几种交流调速系统，永磁同步电机依靠其优势近期仍是电动汽车 驱动系统中的主流电机。 1 4 永磁同步电机控制系统的发展概况 随着功率电子技术和微处理器技术的发展，交流驱动以向数字化、模块化、 智能化的方向发展。在功率电子技术方面，功率开关元件的发展已进入了第四 阶段。目前大多采用绝缘栅极晶体管i g b t 、m o s 管和集成了驱动、自检测、 自保护功能的功率模块i p m 。 在微处理器技术方面，d s p 开始在交流驱动系统中广泛使用。d s p 芯片品 种主要有t i 公司的t m s 3 2 0 系列、a d 公司的a d s p 2 1 0 0 系列、m o t o r o l a 公司 的d s p 5 6 0 0 0 系列和a t & t 公司的d s p 3 2 系列。其中性能比较突出1 1 公司的 武汉理工大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 l f 2 x x x x 系列d s p ”。 1 4 1 脉宽调制技术分类及特点 随着电压型逆变器在高性能电力电子装置中的广泛应用，脉宽调制( p w m ) 技术作为其核心技术引起人们的高度关注，并得到越来越深入的研究。p w m 技 术的发展过程经历了从最初的追求电压波形的正弦到电流波形的正弦，再到磁 通的正弦；从效率最优，转矩脉动最小，到消除谐波噪声等。从实际应用来看， s p w m 在各种产品中仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。从最初的自然 采样正弦脉宽调制开始，人们不断探索改进脉宽调制方法，对自然采样s p w m 做简单的近似，得到规则采样算法，在此基础上，又提出了准优化p w m 技术， 其实质为在一个基波上叠加为基波1 4 的三次谐波，以提高直流电压利用率。 而后出现的s v p w m 技术是以保持电机磁链幅值不变( 在平面坐标中轨迹为圆 形) 为出发点得到的，被推广成为当前最有效的工程应用方法，其等效的调制 波含有一定的三次谐波，由于它具有控制简单、数字化实现极其方便的特点， 目前也逐渐有取代传统s p w m 的趋势。 1 4 2 永磁同步电机控制策略 为了提高永磁同步电机控制系统性能，使其具有更快的响应速度、更高的转 速精度、更宽的调速范围，其动、静响应能够与直流电机系统相媲美，专家学 者提出了各种新型控制策略用于永磁同步电机控制”1 。 1 1 矢量控制 1 9 7 1 年，西门子工程师f b l a s c h k e 首次提出了矢量控制理论，使交流电机 控制理论获得了一次质的飞跃。其基本思想为：以转子磁链旋转空间矢量为参 考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定 子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，分别对其 进行控制，获得与直流电机一样良好的动态特性。因其控制结构简单，控制软 件实现较容易，已被广泛应用到调速系统中。 永磁同步电机矢量控制策略与异步电机矢量控制策略有些不同。由于永磁 同步电机转速和电源频率严格同步，其转子转速等于旋转磁场转速，转差恒等 于零，没有转差功率，控制效果受转予参数影响小。因此，在永磁同步电机上 6 武汉理工大学硕士学位论文 更容易实现矢量控制。 由于永磁同步电机输出电磁转矩对应多个不同的交、直轴电流组合，不同 组合对应着不同的系统效率、功率因素以及转矩输出能力，因此永磁同步电机 有不同的电流控制策略“”。 ( 1 ) = 0 控制 目前，在永磁同步电机伺服系统中，= 0 矢量控制是主要的控制方式。 通过检测转子磁极空间位置d 轴，控制逆变器功率开关器件导通关断，使定子 合成电流为位于q 轴，此时d 轴定子电流分量为零，永磁同步电机电磁转矩正 比于转矩电流，即正比于定子电流幅值，只需控制定子电流大小就可以很好 地控制永磁同步电机的输出电磁转矩o ”。 ( 2 ) 最大转矩电流比控制 在电机输出相同电磁转矩下使电机定子电流最小的控制策略称为最大转矩 电流比控制”。 最大转矩电流比控制是实质是求电流极值问题，可以通过建立辅助方程， 采用牛顿迭代法求解。但是，计算量较大，在实际应用中系统实时性无法满足， 只有通过离线计算出不同电磁转矩对应的交、直轴电流，以表的形式存放于d s p 中，实际运行时根据负载情况查表求得对应的、屯，进行控制。 ( 3 ) 弱磁控制 永磁同步电动机弱磁控制思想来自他励直流电动机调磁控制。对于他励直 流电机，当其电枢端电压达到最高电压时，为使电动机能运行于更高转速，采 取降低电机励磁电流，以平衡电压。在永磁同步电动机电压达到逆变器所能输 出的电压极限后，要想继续提高转速，也要采取弱磁增速的办法“”。 永磁同步电动机励磁磁动势由永磁体产生，无法像他励直流电动机那样通 过调节励磁电流实现弱磁。传统方法是通过调节定子电流毛和，增加定子直 轴去磁电流分量实现弱磁升速，为保证电机电枢电流幅值不超过极限值，转矩 电流分量应随之减小，因此这种弱磁控制过程本质上就是在保持电机端电压 不变情况下减小输出转矩的过程，永磁同步电动机直轴电枢反应比较微弱，因 此需要较大的去磁电流才能起到去磁增速作用，在电机工作在额定电流情况下， 去磁电流的增加有限，因此采用这种方法所能得到的弱磁增速范围也是有限的。 2 ) 直接转矩控制 直接转矩控制技术由德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授在1 9 8 5 年针对异步电 武汉理工大学硕士学位论文 机首次提出，是继矢量控制技术之后又一高性能交流变频调速技术。其特点是 采用空间电压矢量分析方法，定子磁场定向，直接在定子坐标系下计算并控制 电机定子磁链和转矩，借助离散两点式控制调节产生p w m 信号，对逆变器开 关状态进行最佳控制，获得转矩的快速性和准确性。直接转矩控制摒弃了矢量 控制中解耦思想，很大程度上克服了矢量变换控制中的计算复杂性，系统控制 结构简单，控制思路新颖，因此从提出之初就受到了人们的广泛关注“州”1 。 直接转矩控制最初是针对异步电动机提出的，是建立在异步电动机转差角 频率控制基础上的，因此不能在永磁同步电动机上直接加以利用，1 9 9 7 年 l z h o n g 、m f r a h m a n 、y w h u 等人率先把直接转矩控制与永磁同步电动机结 合起来，成功实现了永磁同步电动机基本d t c 控制o ”。 直接转矩控制理论研究己取得很大进展，但它在永磁同步电动机控制系统 中的实际应用方面技术还不够成熟。目前直接转矩控制在p m s m 中应用的研究 多集中在其它控制策略与d t c 的复合使用以及无传感器控制等方面。这些将是 未来一段时期内d t c 研究的方向和重点“”。 1 4 3 闭环控制系统算法 电动汽车驱动系统的控制方案取决于电动汽车的所要求的动力性能，因此 采用何种控制技术是十分重要的。众所周知控制系统采用开环控制有很多不利 的方面。高性能的电动汽车应采用闭环控制并使用先进的控制算法。最近几年 发展起来的许多新的控制技术，如自适应控制、模糊控制、神经网络和专家系 统等技术，都已应用到各种控制中。这些技术会在电动汽车中得到广泛的应用。 随着微处理器、数字信号处理器、微控制器和专用集成电路芯片的不断发展与 应用，对电动汽车驱动控制系统正产生积极而深远的影响。他们能够快速完成 复杂的控制算法，实时的实现最优控制方案，增加驱动系统控制的灵活性和使 用的可靠性n ”。 1 ) 模型参考自适应控制 主要思想是将含有待估计参数方程作为可调模型，将不含未知参数的方程 作为参考模型，两个模型具有相同物理意义的输出量。两个模型同时工作，利 用其输出量差值，根据合适的自适应律实时调节可调模型参数，从而达到控制 对象输出跟踪参考模型的目的“”“”。 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 滑模变结构控制 滑模变结构控制与传统控制的根本区别在于控制的不连续性。自适应机构 为控制量表达式中的不连续控制部分。滑模开关能够根据扰动情况迫使系统在 一定条件下，在规定的状态轨迹两侧高速切换，从而调节控制量等效平均值， 相当于自适应地调制出等效控制量，使运动点停留在预定状态上，达到良好控 制效果。 从理论上讲，由于滑模状态可以根据需要设计，而且系统滑模运动与控制 对象的参数变化、系统外部扰动无关，因此滑模变结构控制鲁棒性要比传统连 续控制系统强。但对于实际滑模变结构控制系统，由于实际执行机构的频带限 制，理想开关状态不可能实现，此外，系统惯性、状态检测误差，特别是采样 时间较大时，都会在理想滑动模态上叠加一个锯齿形轨迹，因此抖振必然存在， 无法消除。实际应用中，退而求其次，将滑模控制量连续化，削弱抖动，以获 得平滑的控制量和近似的滑模运动。 目前滑模变结构控制研究侧重点主要集中在p m s m 无传感器控制方面，国 内这方面的研究不是很多，主要是在各高校做些理论研究，产品化进程还有一 段路要走。”。 3 ) 模糊控制 模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言 变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的一种智能控制。它无需建立数学模型， 是解决不确定性系统的一种有效途径。在模糊控制系统中，模糊控制器性能在 很大程度上取决于模糊控制规则的确定及其可调整性。模糊控制在永磁同步 电动机调速系统中的应用我们会在后面章节中详细介绍，在此不予赘述。 4 ) 神经网络控制 最早的神经网络模型是由心理学家w m c c u l l o c h 和数理逻辑学家w p i t t s 于1 9 4 3 年提出。1 9 8 7 年，在美国召开了第一届国际神经网络会议，掀起了神 经网络研究热潮。目前主要研究类型有前馈神经网络、反馈神经网络、局部逼 近神经网络和模糊神经网络。”。b p 网络属于前馈神经网络，在电机控制系统中 应用较多，研究较深入。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本文研究的主要工作 永磁同步电动机的高效、高控制精度、低振动噪声、通过合理设计转子磁 路结构所能达到的较高的弱磁性及磁阻转矩的可利用性，使其在电动汽车特别 是高档电动汽车驱动方面具有很高的应用价值。 良好的电动机与合理的控制策略相配合，才能得到良好的电动机驱动性能。 本文。本文主要针对电动汽车所要求的较宽的调速范围和低速大转矩等要求， 采用矢量控制算法，对定子电流两分量实行解耦，基速以下= 0 技术可以使 转矩与f 。成正比，可获得快速响应和精确控制的高性能驱动系统。在基速以上 时使用弱磁技术，获得更高的转速。对于闭环控制系统，采用模糊自整定p i d 控制，使电机获得更好的动态性能和抗干扰性能。 第1 章介绍本课题的目的和意义j 介绍电动汽车的结构，电动汽车的电机 驱动特点及技术难点，给出在电动汽车的工况下，电机驱动系统中不同电机的 性能比较；介绍永磁同步电机控制系统的发展概况；最后，给出本课题所用的 电机和控制策略的选择方案，介绍本文的总体安排。 第2 章着重分析永磁同步电机的结构特点，通过坐标变换建立永磁同步电 机的数学模型，介绍永磁同步电机的矢量控制原理，重点阐述= 0 控制与弱 磁控制两种控制策略，并介绍空间矢量脉宽调制原理。 第3 章介绍核心控制单元1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 的特性及其资源，并设 计以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 为核心的弱电电路和以i p m 模块为主的强电电 路。同时，根据电动汽车的设计要求完成档位输入电路、油门给定电路、速度 检测显示电路和通讯电路等。 第4 章重点描述了电动汽车用永磁同步电机控制系统的软件设计。介绍软 件开发平台c c s 以及d s p 编程的一般原则。运用c 语言和汇编语言混合编程 的方法，阐述系统软件的设计和实现方法。根据软件的功能，将其划分为主程 序和中断服务程序两个模块。最后详细描述p w m 中断服务子程序、故障中断 服务子程序、档位中断子程序以及s c i 通讯中断子程序设计方案。 第5 章研究永磁同步电机传统p i d 控制算法和模糊自整定p i d 控制算法， 利用m a t l a b s i m u l i n k 建立了系统仿真模型，得到系统仿真在多种情况下的仿 真曲线，并对仿真结果分析。 第6 章总结与展望。 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 本论文的课题资助 本文的研究来源于以下课题并得到该课题的资助： 湖北省科技攻关项目：电动汽车永磁同步电机智能控制系统 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章永磁同步电机及其控制策略研究 2 0 世纪8 0 年代，随着永磁材料特别是具有高磁能积、高矫顽力、低廉价格 的钕铁硼( n d f e b ) 永磁材料的发展，价格低廉、体积小、性能高的永磁电机 被研制成功。由于其本身的优良特性，永磁同步电机在伺服系统中得到了广泛 的应用，同时其控制策略也被广泛研究。本章首先介绍永磁同步电机的结构， 然后重点阐述永磁同步电机控制系统的控制算法。 2 1 永磁同步电机结构 永磁同步电机是以永磁体来代替直流激磁作为恒定励磁的一种电机。其剖 面图如图2 - 1 所示，它由定子、转子两大部件组成“”。 三相永磁同步电机的定子指 铁心永磁体 电枢线圈 慧需雾怒矍器旆l 主要由硅钢冲片、三相y 型连接“2 ”? ”ii 、ll1 1 1 | l | ii ，4l i 的对称同分布在槽中的绕组、固r li | ir j1 定铁芯的机壳及端盖等部分组 li峒lll 刚，旋转轴 成。这同传统同步电机定子结构一1 _ 一4 拍一 基本相同。如果在三相空间对称 il 丁t 厂i f i 药一轴承 的定子绕组中通入三相时间上也l j 一，、ui 。1 、上、j 对称的正弦电流，在三相永磁同图2 - l 永磁同步电机剖面图 步电机的气隙中就会产生一个在空间旋转的圆形磁场，旋转磁场的同步转速 = 6 0 厂只，其中，厂为定子电流频率，只为电动机极对数。 永磁同步电机的转子是指电机运行时的旋转部分，通常由转子铁心、永磁 体磁钢和转子转轴组成。目前，永磁同步电机常用的永磁材料是钕铁硼合金 ( n d f e b ) 和钐钴合金( s m c o ) 。从永磁体安装方式上分，转子分为凸装式、 嵌入式和内埋式三种。所谓凸装式是指将永磁磁钢直接粘贴在转子铁芯表面 的结构形式；嵌入式与凸装式类似，区别在于永磁磁钢是嵌入转子外表面的， 则定子铁芯到永磁体表面的距离和到转子铁芯的距离相等；而内埋式是将永磁 武汉理工大学硕士学位论文 磁钢埋装在转子铁芯内部的结构形式。由于永磁材料的相对磁导率i l 非常接近 1 ，因此，凸装式转子电机的绕组电感( 自感和互感) 可以认为是常值( 即使在 定子铁芯饱和的情况下，电感的变化也非常小) ，这样的电机不具有凸极效应； 而具有嵌入式和内埋式结构的电机，其绕组电感交化明显，电机具有明显的凸 极效应。对于永磁同步电机，其定子绕组电流为正弦波，为了使电机具有恒力 矩输出，电机应具有正弦波反电势，以保持t e m 恒定。通过合理的设计，凸 装式、嵌入式和内埋式转子均可使电机实现正弦波反电势。因此，永磁同步电 机可采用三种结构形式的任何一种。 具有内埋式转子结构的电机，电机的磁路气隙比较小，比具有凸装式和嵌 入式转子结构的电机更适于弱磁控制。另外，通过调整内埋式转子的设计参数， 可以充分利用其凸极性( 即利用电机的磁阻转矩) ，来改进电机的输出和调速特 性。凸装式和嵌入式结构可以使电机的电机常数做得比较大，这样可以减小转 子的转动惯量，从而减少电机的机械时间常数，提高电机的响应性能。其工作 原理是当永磁同步电机通入由三相逆变器经脉宽调制的三相交流电源后，电机 的定子绕组会产生一个空间旋转磁场，它与转子永磁磁钢所产生的磁场相互作 用，产生与定子绕组旋转磁场方向一致的旋转转矩乜刀。当电磁转矩克服了转子 本身的惯量以及由永磁同步电机转子中永磁体磁钢的存在所产生的阻尼转矩 时，电机就开始运动起来，并且不断加速直至定子旋转磁场带动转子永磁体磁 钢一起同步运行。 2 2 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机和带转子励磁绕组的同步电机数学模型是相似的，为了分析 简单化起见，本文作以下假设“”： ( 1 ) 忽略铁芯饱和效应； ( 2 ) 不记涡流和磁滞损耗； ( 3 ) 转子上无阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； ( 4 ) 电机各相绕组电阻相等r 。= r 。= r c = r ； ( 5 ) 电机的反电势是正弦的。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 永磁同步电机静止三相坐标系( a b c ) 模型 三相永磁同步电机示意图如图2 2 嘲，电机对数为l 。图中定子三相绕组用 一、b 、c 三个线圈来表示。因为实际的三相绕组是嵌放在定子槽中的，故三 相绕组的轴线在空间是固定的。为转子上安装永磁磁钢的磁场方向，电机转 子以口的角速度顺时针方向旋转，口为y ，与a 相绕组间的夹角，口= t o t + a 0 ， 其中，见为t = 0 时刻的夹角。 b 圣 = 暖昙墨 隆 + 4 毫三荔攀e + p ； q 一， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 转子磁链在气隙中呈正弦分布，转子磁链在三相绕组中的投影分别为： i 妒? i c o s ( a ) i i = lc o s ( 伊一2 ，r 3 ) i ( 2 4 ) 够j【c o s ( o + 2 j r 3 ) j 式中，为转子永磁体磁链的最大值，对于特定的永磁同步电机y ，为一常 数。 由上面的分析，永磁同步电机在三相静止坐标系下的电压方程为一组变系 数的线性微分方程，不易直接求解。我们常用更为简单的等效的原型电机来替 代实际电机，并使用坐标变化方法，以方便分析和求解。 单纯从矩阵运算的角度而言，变换是任意的，电压和电流变换的矩阵可以 相互独立。但是从电机分析的方面，为保证变换前后两个坐标系中的变量所表 示的系统总功率相同，必须采用恒功率变换。 恒功率变换的条件为： f * u = i u( 2 - 5 ) 式中，f 。和“为变换后的电流和电压矩阵；f 和甜为原有的电流和电要矩阵。 设e 和c f 分别为电压变换矩阵和电流变换矩阵，根据文献推倒，若选定的 电压变换实数矩阵e 为正交矩阵，则恒功率变换的条件是q = q ，即电压、 电流变换有相同的变换矩阵。 2 2 2 静止三相坐标系( 爿8 c ) 到静止两相坐标系( 口一少) 变换 永磁同步电机静止三相坐标系到静止两相坐标系的变换简称c l a r k e 变换， 其变换原理示意图如图2 - 3 所示，图中a 相绕组同三相中的a 相绕组重合，相 绕组与口相正交嘲。 图2 - 3 c l a r k e 变换 武汉理工大学硕士学位论文 若三相绕组中每相绕组的有效匝数均为以，而两相绕组中每相绕组的有效 匝数均为。，根据相变换必须保证变换前后绕组中电流产生的磁势守恒，则得 到式( 2 - 6 ) 。 髓：n a 喝c o 即s l 3 石傩+ 2 i 7 c 蕊c 帆o s l 3 ，r 5 2 乃庀 6 ， ub n 口= 一i 8 n 设以= 砜，则式( 2 - 6 ) 可变为： 经过分析，当k 为2 3 时，三相静止坐标系到两相静止坐标系的相变换的 电压电流变换矩阵相同且均为正交矩阵，因而满足恒功率交换。 得到的三相静止坐标系到两相静止坐标系的相变换矩阵和两相静止坐标系 到三相静止坐标系的相变换矩阵分别如式( 2 - 8 ) 和式( 2 - 9 ) 所示。其中，变换前 的坐标用下角标表示，变换后的用上角标表示。 c 篾如刹凋 s ， 镒2 凡z 磐苏l 浯9 ) 两相静止坐标系到三相静止坐标系的电压和电流变换为式( 2 - 1 1 ) “仙c2 嘴( 2 - 1 0 ) i k = c 簋0 。 p 二篙 1 1 ) 1 锄。：嗡f 。跖 皑1 u 将式( 2 - 1 0 ) 代入式( 2 1 ) ，可得到永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压 方程，但它仍是一组变系数的线性微分方程。因此，还需要在两相静止坐标系 的基础上进一步变换。 书阜卜卞扛弘 眈 卜 卸 “ k b 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 两相静止坐标系( 口一) 到两相旋转坐标系( d g ) 变换 永磁同步电机两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换简称p a r k 变换，其 变换原理示意图如图2 4 所示。d q 坐标系同口一声坐标系同为正交坐标系， 并f 1 d q 坐标系以埘的转速相对于口一声坐标系顺时针旋转。其中口为d 轴轴 线同g 轴轴线的夹角阍。 其中，m 为电机转子转速，口= 硝+ a o ，岛为初始时刻d 轴轴线同瑾轴轴线 j 心= 睨。8 秒一8 m 口( 2 - 1 2 ) 【n q = 镌s i n 0 + n 口c o s o 刚c 絮o s _ o - s i n 口蚴 陋 f c o s 0 一s i n 00 1 c 笳= l s i n 0c o s 0 0 i ( 2 1 4 ) l 00 1 j 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 l 00 1 j 协二器。 c z 一 般嚣d q o 。 浯忉 瘫莓摹辚 。， 武汉理工大学硕士学位论文 电磁转矩方程恤1 为： 7 二= p 。【d i q 一矿口】= p 。眇，i q + ( 三d l q ) i 口】 ( 2 - 2 0 ) 式中，p 。为电机磁极对数，妒r 为永磁体产生的磁链，乙，为直交轴电 感，为直交轴电流。 定子电流空间矢量t 与定子磁链空间矢量虬同相，且定子磁链与永磁体 产生的气隙磁场间的空间角度为，则 $ ? 1 1 1 3 1 拿3 ( 2 _ 2 1 ) h 2 l 将式( 2 2 1 ) 代入式( 2 2 0 ) ，可得 乙= 磊 一y q i d = p ￥l i , s i n + 寺岛( 乙一乞) 宰s 洫2 声( 2 2 2 ) 由式( 2 - 2 2 ) 可以看出，永磁同步电机输出转矩中包含两个分量，第一项是 由两磁场互相作用所产生的电磁转矩l ，第二项是由凸极效应引起，并与两轴 电感参数的差值成正比的磁阻转矩z 。 2 3 永磁同步电机的矢量控制策略 矢量控制最初是针对异步电机提出的。其工作原理和方法同样适用于永磁 同步电机。永磁同步电机矢量控制技术的基本思想是建立在坐标变换及电机的 电磁转矩方程上，通过对定子电流矢量的相位和幅值的控制来实现永磁同步电 机的转矩控制，即通过控制d q 轴电流，经过矢量变换或坐标变换来实现的。 其优点在于不论在高速还是低速的情况下，只要系统给定了在该转速下所需要 的电流波形，电机电流均能很好的响应，电机的响应性能也十分优异。 从式( 2 - 2 2 ) 中可以看出，当永磁同步电机永磁体产生的磁链妒，和直交轴电 感岛、工。确定后，电机的电磁转矩乙便取决于定子电流矢量，而的大小和 相位取决于屯和f 。因此，只要控制和t 便可以控制电机的转矩。一定的转 速和转