（通信与信息系统专业论文）基于永磁同步电机的电动汽车调速系统研究.pdf

武汉理工大学硕士研究生论文 摘要 随着世界汽车保有量的急剧增长，传统的内燃机汽车在带给人们便利的同 时，对人类环境所造成的危害越来越严重。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。本文以永磁同步电机为控制对象，研究和设计了电动 汽车调速系统及其模糊控制算法。 本文首先以电动汽车用永磁同步电机为研究对象，分析了永磁同步电机的 结构特点，在永磁同步电机的矢量控制理论基础上，建立了基于转子坐标轴的 永磁同步电机数学模型，接着给出了永磁同步电机矢量控制系统结构图，研究 了永磁同步电机控制系统中的电流控制器和速度控制器，并对速度控制器进行 性能改进，提出了一种基于模糊用速度控制器的设计，将模糊控制应用在永磁 同步电机控制系统。该设计采用模糊控制和控制相结合的思想，其中利用模 糊控制实现宏观控制达到快速控制，利用实现微观控制达到精确控制，充分 发挥了两者的优点。 在心删8 俗m 犯纪从仿真环境下，构建了永磁同步电机控制系统仿真模 型，对s v p w m 矢量控制系统进行仿真。同时将模糊p ，速度控制器应用在永磁 同步电机控制系统，并进行了仿真研究。仿真结果表明，模糊速度控制对比 速度控制，系统响应速度得到显著提高，电机控制系统的动静态性能得到改 善，适合电动汽车工况要求。 最后设计了基于永磁同步电机的电动汽车调速系统的具体硬件和软件设计。 硬件设计主要采用便于电机控制的d s p 2 0 0 0 系列作为主控芯片，硬件电路主要 包括：主回路、z m 驱动电路、检测电路、保护电路和电动汽车油门档位电路 等。软件运用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 中断服务模块和故障中断服务模块详细流程图。同时也对 空间电压矢量( s 阡形m ) 调制方法做了详细的理论阐述，并选择硬件来确定 s v p w m 的开关模式。最后给出了硬软件设计的抗干扰措施。 关键词：电动汽车，永磁同步电机，s v p w m ，模糊p i ，d s p a b s t r a c t a st h ev e h i c l e sa c c o u n ti nt h ew o r l di nt h ew o r l di n c r e a s e ss h a r p l y , t r a d i t i o n a l v e h i c l e sw h i c hu s ei n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e sb r i n gu sg r e a tf a c i l i t a t i o n ，b u ta tt h e s a m et i m e ，t h e yd om o r ed a m a g e st oo u re n v i r o n m e n t e l e c t r i cv e h i c l e ，w h i c ht a k e s e 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 e n o n - p o l l u t i o n t h ed r i v em o t o ra n di t s w i d ef 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 d c o n t r o ls y s t e ma r eh a r dc o r ei nt h ep o w e r s y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l e t h ec o n t r o ls y s t e ma n di t s f u z z yc o n t r o lo fp e 肌a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rb a s e do nd s pa r er e s e a r c h e da n dd e s i g n e di nt h i st h e s i s 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 a p p l i e di nt h ee l e c t r i cv e h i c l e si su s e da s t h eo b j e c to fs t u d yi n t h i s a r t i c l e ，t 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 粤m e t s y n c h r o n o u sm o t o ri sa n a l y s i z e df i r s t l y t h e nt 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 yr o t o rc o o r d i n a t ea x i si nf o u n d a t i o no fv e c t o rc o n t r 0 1 t h e nv e c t o rc o n t r o ls v s t e m s t r u c t u r ed r a w i n go 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 ri sg i v e n ，a n dt h ec u r r e n t c o n t r o l l e ra n ds p e e dc o n t r o l l e ra r es t u d i e di nc o n t r o ls y s t e mo fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o lm e a n w h i l e ，t h es p e e dc o n t r o l l e rw i l lb ei m p r o v e da n do n e d e s i 鲫 b a s e do nt h ef u z z yp is p e e dc o n t r o l l e ri sp r o p o s e d t h ef u z z yc o n t r o l i sa p p l i e di n c o n t r o ls y s t e 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 r t h em e r i ti sd i s p l a y e df u l l y i i lt h et h o u g h tw h i c ht h ef u z z yc o n t r o la n dt h ep ic o n t r o lc o m b i n ei nt h i sd e s i g n ，t h e f u z z yc o n t r o li su s e df o rr e a l i z i n gt h em a c r o c o n t r o lt oa c h i e v et h ef a s tc o n t r 0 1 a n d t h ep ic o n t r o li su s e df o rr e a l i z i n gt h em i c r o c o n t r o lt oa c h i e v et h e a c c u r a c yc o n t r 0 1 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 rc o n t r o l s y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li s c o n s t r u c t e du n d e rm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，a n dt h es v p w m v e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sc a r r i e do nt h es i m u l a t i o n m e a n w h i l ef u z z yp i c o n t r 0 1 1 e r a p p l i c a t i o ni np 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 rc o n t r o ls y s t e mi sc o n d u c t e dt h e s i m u l a t i o nr e s e a r c h t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e f u z z yp is p e e dc o n t r o l c o n t r a s t s t h ep i s p e e dc o n t r o l ，t h es y s t e mr e s p o n s e s p e e dh a st h er e m a r k a b l e e n h a n c e m e n t ，t e n d e n c ya n ds t a t i cp r o p e r t yo ft h em o t o rc o n t r o ls y s t e mc a nb e i m p r o v e d ，a n di ti ss u i t a b l ef o rw o r k i n gr e q u e s to ft h ee l e c t r i cv e h i c l e i i a tl a s t ， c o n c r e = t eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n o fp e r m a n e n tm a g n e t s v n c h r o n o u sm o t o rc o n 仃o ls y s t e ma r ed e s i g n e d t h ed s p 2 0 0 0 s e r i e sc h l p1 su s e dm m eh a r d w a r ed e s i g nf o rt h em o t o rc o n t r 0 1 t h eh a r d w a r ec i r c u i tm a m l y m c l u d e s ： m a i nr e t 哪r o u t e ，d r i v i n gc i r c u i t o fi p m ，t h ee l e c t r i cc i r c u l t o fe x 锄l n a t l o n ， p r o t e c t i o nc i r c u i t ，a c c e l e r a t o ra n d f i l e sp o s i t i o ne l e c t r i cc i r c u i t sa n ds oo n i ns o f t w a r e d e s i g na u s p e c t ，m a s t e rr o u t i n e a n dt h ei n t e r r u p ts e r v i c ea r ed e s i n g e dt h r o u g h u s l n gt h e cl a n g 岫g ea n da s s e m b l yl a n g u a g em i xp r o g r a m m i n gm e t h o d ，a n dp w m i n t e r r u p t s e r v i c i n gm o d u l ea n db r e a k d o w ni n t e r r u p ts e r v i c i n gm o d u l e d e t a i lf l o w c h a na r e g i v e n s i m u l t a n e o u s l yt h ed e t a i l e dt h e o r yi sm a d e b yt h em o d u l a t i o n 印r o a c ho ts p a c e v 0 1 t a g ev e c t o r ，a n dt h e s w i t c hp a r e mi s d e t e r m i n e db yt h eh a r d w a r e a t l a s t 枷j a m m i n gm e a s u r e s o fh a r da n ds o f t w a r ed e s i g n s h a v ea l s ob e e n9 1 v e n s i m u l t a n e o u s l y k e y w 。r d s ：e 1 e c t r i ev e h i e l ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r 。n 。u s m 。t o r ，s v p w m ， f u z z yp ic o n t r o l ，d s p i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 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 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名，：- j 堑址导师。签名，：丝日期牡 武汉理工大学硕士研究生论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着经济的发展与科技的进步，汽车成为人们日常生活中不可或缺的一部 分，汽车工业已成为衡量一个国家经济与科技发展水平的重要标志。然而，随 着世界汽车保有量的急剧增长，传统的内燃机汽车在带给人们便利的同时，对 人类环境带来的危害越来越严重。环境保护呼声的高涨和石油储量日益短缺的 压力，迫使人们从新考虑未来汽车的动力问题，提出了“绿色汽车”的概念。 “绿色汽车”主要包括燃气汽车，太阳能汽车和电动汽车。由于燃气的拥有量 仍然有限，燃气汽车的发展并不是长远之计。太阳能汽车可以做到零排放，但 其续驶里程短和充电时间长的缺点限制了它的发展。电动汽车也能做到零排放， 与其它“绿色汽车 相比，最有发展前途。因此，电动汽车成为当前汽车工业 发展和研究的一个“热点”。 目前，国内外电动汽车用电机系统涵盖了交流感应、永磁电机、开关磁阻 等各种类型。其中永磁电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声的特 点，通过合理设计磁路结构能够获得较高的弱磁性能，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，作为电动汽车用永磁电机调速系统， 可实现机电一体化和集成化，具有系统结构简单、操作方便、可实现制动能量 回收、系统响应时间短、转矩控制准确等优点，改善了车辆的性能堙1 。因此，在 开发与电动汽车整机配套的永磁同步电机调速系统具有现实可行的意义。 此外，我国在稀土永磁材料领域具有得天独厚的资源优势。开发出一系列 机电一体化的高度集成化的驱动模块，具有自主知识产权的高性能车用永磁电 机系统，可以加快我国电动汽车的产业化进程口1 。 永磁同步电机系统研究的目的就是获得更快的响应速度，更平稳的过渡过 程，更好的抗干扰性能以及更高的稳态精度等。目前永磁同步电机系统中的转 速、电流控制多采用传统的川d 控制，其控制器是经典控制理论应用中最成功 的代表，己经在工程实践中取得了很好的应用，但并非是理想的控制器。因为 传统p i d 控制理论研究的是线性时不变的控制问题，要求具有精确的数学模型， 武汉理工大学硕士研究生论文 然而实际控制系统多少含有非线性，控制系统中被控对象的参数会或多或少的 变化，或者存在系统的数学模型难以建立等问题。所以，用经典控制理论设计 的控制器有时难免会使控制系统不能满足更高性能指标要求。随着现代工业的 发展，人们面临的被控对象越来越复杂，对控制系统的精度、性能和可靠性的 要求越来越高。因此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的控制策略 越来越受到人们的关注。 智能控制是- i - j 新兴的学科，是控制理论发展的高级阶段，是以人工智能、 控制论、信息论、运筹学为基础的交叉学科，主要用于解决传统控制方法难以 解决的系统控制问题。模糊控制是智能控制的一个重要分支，它是以模糊集合 论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机智能控制。它主要应用 于诸如测量数据不确切、要处理的数据量过大以致无法判断它们的兼容性以及 一些复杂可变的被控对象等对数学模型精确度要求不高的场合。而本文所研究 的永磁同步电机本身就是具有一定非线性、强耦合性以及时变性的“系统9 9 9 其 对象也存在较强的不确定性和非线性，并且运行过程中还会受到不同程度的干 扰。针对这种特性，采用模糊控制能够取得很好的控制效果，满足高性能车用 电机的控制要求，提高系统性能。因此，基于模糊控制的永磁同步电机系统具 有重大的研究意义。 1 2 电动汽车电机的发展概况 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。 因此，所设计的电机驱动系统应该满足以下几点要求： ( 1 ) 足够大的起动转矩，以满足快速启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等要 求。 ( 2 ) 快速的调速范围大，一般在2 5 。1 0 0 最大转速范围内，近似有小转矩、 2 武汉理工人学硕士研究生论文 恒功率的输出特性，满足电动汽车最高车速和公路巡航行驶工况的要求哺3 。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 电机及电控装置结构坚固、体积小、重量轻、抗颠簸振动。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 单位功率的系统设备价格尽可能的低。 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。 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，改变输入电流就可以对其转矩实现直接控制，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，直流电机的效率较低，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阁。 永磁同步电机在功率密度、效率等性能方面均优于上述电机，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1 枷堙) ：适合电动汽 车空间有限的特点。 武汉理工大学硕士研究生论文 ( 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。 ( 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，永磁同步电机口3 依靠其优势近期仍是电动汽车 驱动系统中的主流电机。本文也将重点对永磁同步电机控制系统进行设计。 1 3 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，交流驱动已向数字化、模块化、 智能化的方向发展田1 。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上m 珀1 。 在微处理器技术方面，d s p ( 数字信号处理器) 和f p g a ( 现场可编程门阵 列) 在永磁同步电机控制系统中的应用反映了今后发展的趋势。与单片机相比， d s p 器件具有较高的集成度，运算速度快，存储器容量大。它采用哈佛结构， 具有独立的程序和数据空间，程序总线和数据总线分离，同时可以对程序和数 据进行操作，其内置高速硬件乘法器，取指、译码、操作采取多级流水线。目 前，由美国德州仪器”公司推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 、t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 等专门用 于电动机控制的d s p 芯片由于其更快的处理速度，强大的处理能力，几乎能够 满足所有的实时控制场所的要求，而被广泛应用。f p g a 可以方便地实现多次修 改，而且集成度非常大，一片f p g a 含有几万、几十万个等效门，所以单片f p g a 就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路，从而 简化了系统的设计，并大大提高了系统的可靠性n 叫。 同时，计算机技术的发展，使得运动控制系统的网络化、信息化和智能化 成为了可能1 。借助于信息网络技术，永磁同步电机控制系统也将不只是一个 孤立的系统，将和其他相关系统一起被规划和设计，实现整体系统控制的优化。 ( 1 ) 脉宽调制技术的发展 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 2 l 技术的发展过程经历了从最初的追求电压正弦波形到电流正弦波形，再到j 下弦 4 武汉理工大学硕士研究生论文 磁通：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n 3 1 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 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。 ( 2 ) 控制理论的发展 自从奈魁斯特( h n y q u i s t ) 1 9 3 2 年发表了有关反馈放大器的稳定性论文至 今，控制理论从形成到发展，已经历三个阶段近7 0 年的发展历程。 第一阶段( 2 0 世纪4 0 - - 5 0 年代) 是经典控制理论的成熟和发展阶段：第二阶 段( 2 0 世纪6 0 - - 7 0 年代) 是经典控制理论向现代控制理论过渡过程：第三发展阶 段( 2 0 世纪8 0 年代至今) 是智能控制的诞生和发展。目前，这种新型的智能控制 理论不依赖确定性的数学模型，而有效地将熟练的人类经验知识和控制理论结 合解决复杂系统控制问题。 智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 包括人工智能、神经网络钔、模糊控制、遗传 算法等是一门新兴的交叉前沿学科，具有非常广泛的应用领域。他主要是针对 控制对象及其环境、目标和任务的不确定性和复杂性而提出来的。它是控制论、 信息论、系统论、计算机科学、神经生理学、心理学、数学，以及哲学等多种 学科相互渗透的结果，也是电子数字计算机的出现和广泛应用的结果。近年来， 模糊控制n 5 儿删作为一种新颖的智能控制方式越来越受到人们的重视。与传统的 控制相比，模糊控制不是从被控对象的数学结构上去考虑并进行控制的，而是 从人类智能控制活动的角度和基础上去考虑实施控制的，它试图模仿人所具有 的模糊决策和推理功能，来解决复杂问题的控制难点。今天，模糊逻辑控制技 术已经应用到相当广泛的领域之中。 1 4 本文研究的主要工作 本文的主要工作如下： 武汉理工大学硕士研究生论文 1 分析了永磁同步电机的结构特点，建立了基于转子坐标轴的永磁同步电 机数学模型，接着给出了永磁同步电机矢量控制系统结构图，研究了永磁同步 电机控制系统中的电流控制器和速度控制器。同时将模糊控制应用在永磁同步 电机控制系统中，提出了一种基于模糊速度控制器的设计。 2 设计了在m a t l a b s i m u l i n k 下永磁同步电机的总体框架，给出了基于 尸，速度控制器的永磁同步电机控制系统的仿真，同时给出了基于模糊速度控 制器的永磁同步电机控制系统的仿真。最后对这两种仿真结果进行比较。 3 设计了基于永磁同步电机的电动汽车调速系统的具体硬件和软件设计， 硬件电路主要包括：主回路、，尸m 驱动电路、检测电路、保护电路等。软件运 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 中断服务模块和故障中断服务模块详细流程图 6 武汉理工大学硕七研究生论文 第2 章永磁同步电机控制系统 电机控制的关键是对电磁转矩的控制。1 9 7 1 年德国学者b l a s c h k e 等人首先 提出的矢量变换控制技术，成功地解决了这个问题，使交流电机用于控制系统 成为了可能，打破了直流电机在控制领域的垄断地位n 引。至今，经过了三十多 年的发展和实践，矢量控制技术已经成为了一种普遍应用的高性能交流调速控 制方案。 2 1 基于转子坐标轴的永磁同步电动机数学模型 永磁同步电机在三相静止轴系上的数学模型是一个多变量、非线性、强耦合 的复杂系统，要分析求解该坐标下的方程往往非常困难。矢量变换控制技术利 用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，实现了定子电流中励磁分量和转矩 分量的解耦，从而使永磁同步电机能像直流电机那样分别对磁通和转矩进行独 立控制n 引。 为了简化分析过程，忽略一些影响较小的参数，作如下假设： ( 1 ) 忽略铁芯饱和，不计漏磁、磁滞和涡流的影响，忽略磁场的高次谐波； ( 2 ) 电机参数不受温度的影响； ( 3 ) 定子三相绕组对称，转子结构分别对直轴和交轴对称。 基于转子坐标轴的永磁同步电动机定子磁链方程为 ly 耐= l a i s d + 少， t( 2 1 ) iy w = l g z 踯 式2 1 中，沙，为转子磁链在定子上的耦合磁链；l a 、l g 为永磁同步电动 机的直轴和交轴主电感；、l s q 为定子电流矢量的直轴和交轴分量n 9 1 。 定子电压方程为 7 武汉理t 大学硕士研究生论文 卜+ 厶等一鸣。 卜”厶鲁+ 叱。仰， q 乏 式2 - 2 中，“耐、“阳为定子电压矢量的d 、q 轴分量；6 0 为转子角频率。 转矩方程为： t = 一u叼isd=，is,+(lalqp1isjsq u l s dp i l ll s q) 0 】 ( 2 3 ) = 一 阳 j =， +一 ) z 田7 鲋j ( 2 3 ) 在转子参考坐标中，若取d 轴的反方向为虚轴，取q 轴为实轴，则在这个 复平面内，可将定子电流空间矢量t 表示为乜们 1 j = i s g j l j d ( 2 - 4 ) t 与d 轴间角度为，于是可有 t = p g 耐ts i n f l + - ( l a 一厶) 0 2s i n 2 , 8 】 ( 2 6 ) 二 由式2 - 6 可以看出，永磁同步电动机输出转矩中含有两个分量，第一项是 永磁转矩，第二项是由转子不对称造成的磁阻转矩。不论如何，可以看出电动 机的电磁转矩取决于电动机的正交定、转子电流，即可以通过对电动机正交电 流的控制实现对电动机的控制，此即为矢量控制方法的实质。 根据永磁同步电动机的用途不同，电动机的电流矢量控制方法也各有不相 同，可采用的控制方法主要有：如= o 控制、衡磁链控制、最大转矩电流控制、 弱磁控制及最大输出功率控制等。本文采取j 耐= 0 的策略。 此时，定子电流全部用于产生转矩，即定子电流矢量只有q 轴分量，无d 分 量，电机的电压方程可变为 52 厶疗? 眦 = i i 豇 暑r r【 至得 o j 一 2 式入 代 l r u 一 2 式 将 武汉理工大学硕士研究生论文 转矩方程则变为 i t s d = 一c o l q is q = 名k + 厶鲁+ 嘴 ( 2 _ 7 ) t = pg r i s q ( 2 - 8 ) 显然，”为常数，转矩只与定子电流的转矩分量岛成正比，实现了解耦， 同时，对表面凸出式转子磁路结构的永磁同步电机而言，其电机参数相等，故 i 耐= 0 策略可以保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩。或者说，在生产要 求的转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使铜耗下降，效率有所提高。 2 2 永磁同步电机矢量控制系统设计 图2 - 1 所示为l 耐= o 控制系统结构图，包括了定子电流检测、转子位置与速 度检测、速度控制器、电流控制器、c l a r k e 变化、p a r k 变换与逆变换、s v p w m 调制等几个环节，这些环节从内到外，构成了电流环和速度环。其中，速度传 感器检测出电机实际速度，与指令速度比较之后，作为速度控制器的输入。而 速度控制器的输出即为g 轴电流的指令值，q 轴电流的实际值可根据给定的励 磁磁链并经过矢量变换求出实际的g 轴电流，同时d 轴电流指令值为零。实际 电流信号与电流指令值的差值经电流控制器便可实现电动机的控制。 9 武汉理工大学硕士研究生论文 图2 - 1k = o 控制系统结构图 电流环作为系统的内环，速度环为系统的外环。其中，电流环是最重要的 一环，它是提高矢量控制系统控制精度和响应速度、改善控制性能的关键。永 磁同步电动机矢量控制系统要求电流环具有输出电流谐波分量小、响应速度快 等性能。它必须满足内环控制所需要的控制响应速度，能精确控制随转速变化 的交流电流频率。速度环的作用是增强系统抗负载扰动能力，抑制速度波动口。 电流环是永磁同步电机矢量系统中的一个重要环节，它是提高系统控制精 度和响应速度，改善控制性能的关键。电流环由电流控制器和逆变器组成，其 作用是控制电动机绕组的电流，使之实时、准确地跟踪电流参考信号。目前常 用的电流控制方式有滞环电流控制、尸，控制、预测控制乜引。本文采用刀控制电 流环。 交流调速中电流的控制可分为静止坐标轴的三相p ，控制和d q 同步 旋转坐标轴下的彤控制两类。矢量控制系统中，尤其是对控制系统性能要求比 较高的场合，一般多采用后者，本文以下将对这类控制方式做一简单介绍。 l o 武汉理丁大学硕七研究生论文 0 p 图2 2 电流用控制原理图 如图2 - 2 所示，该方式是通过两个p ，控制器分别对同步旋转坐标轴中电流 矢量的两个分量进行调节控制，它是实现依赖于磁场定向控制技术，并且要求 给出磁场矢量的空间位置谚。该方式实际上是电压直接控制的调节方式，由于 磁通和转矩完全解耦，分别由l s d 和f 。控制，简化了设计。p w m 控制可以采用 多种方式，如电压s p w m 、电流s p w m 、s v p w m 以及各种优化p w m 等，可 以达到提高电压利用率、优化开关模式等目的。 速度环同样也是控制系统中的一个极其重要的环节，从广义上讲，速度环 控制应该是具有高精度、快响应的特性，具体而言，反映为小的速度脉动率、 快的频率响应、宽的调速范围等性能指标。 速度环控制过程为：给定速度与系统检测到的反馈速度相比较，输出的误 差信号经过速度控制器的调节后，输出系统需要的电流控制量。经典的控制系 统速度环都采用p i d 控制器，这种控制器结构简单，计算量小，参数容易调整， 已经成为控制系统中技术最成熟、应用最广泛的一种控制器。下面对传统p i d 控制器的控制规律进行分析。 控制信号u 由误差信号的比例、积分、微分三项之和给出： “= k v e + 庀fie d t + k a 口 ( 2 9 ) 一 式2 - 9 中，k 。为比例增益，七。为积分增益，岛为微分增益。 ( 1 ) 比例环节成比例地放大偏差信号e ，偏差产生，控制器减小偏差，加 大比例增益k 。，可以提高系统的开环增益，加快系统的响应速度，减小系统的 武汉理工大学硕十研究生论文 稳态误差，从而提高系统的控制精度。但是，k 。过大时系统的相对稳定性将会 变差，甚至可能造成闭环系统不稳定。 ( 2 ) 积分环节积分k ，的作用是对误差进行记忆并积分，有利于消除静态误 差，提高系统的无差度。所以采用积分控制能够提高系统的稳定性能。 ( 3 ) 微分环节微分增益屯反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得 较大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，具有一定的预见性，能够 加快系统的动作速度，减小调节时间，微分控制只对系统的动态过程起作用， 而对稳态过程没有任何作用。 在生产实践中，由于使用微分环节的p i d 控制，其控制响应容易振荡，实 际应用较少，人们普遍采用控制器。然而，为了追求最优的控制曲线，单靠 纯戌控制往往是不够的，需要采用一些智能控制的策略，以满足要求比引。 2 3 永磁同步电机控制系统的模糊控制 在上节系统模型设计中，电流控制器和速度控制器均采取尸，控制。本节将 对速度控制器进行改进，提出一种模糊速度控制器的设计。 2 3 1 模糊控制系统的组成和原理 模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识 表示和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机技术构成的一种具有闭环结构的 数字控制系统口劓。它的组成核心是具有智能功能的模糊控制器。模糊控制系统 的框图如图2 - 3 所示，其结构与一般的计算机数字控制系统基本类似，只是它 的控制器为模糊控制器。它是一个计算机数字控制系统，控制器由计算机实现， 需要a d ，d a ，以实现计算机与模拟环节的连接。它也是一个闭环反馈控制系 统，被控量要反馈到控制器，与设定值比较，根据误差信号进行控制3 。 图2 - 3 模糊控制系统图 1 2 武汉理工大学硕士研究生论文 模糊控制系统由以下几个部分组成：模糊控制器、输入输出接口装置、检 测装置和被控对象。 1 被控对象 被控对象是一种设备或装置或是若干个装置或设备组成的群体，它们在一定 的约束下工作以实现人们的某种目的。被控对象可以是线性或非线性、定常或 时变的，也可以是单变量或多变量、有时滞或无时滞的以及有强干扰的多种情 况。 须指出的是，被控对象缺乏精确数学模型的情况适宜选择模糊控制，但也不 排斥有较精确的数学模型的被控对象，也可采用模糊控制方案汹3 。 2 检测装置 检测装置一般包括传感器和变送装置。 3 输入输出接口装置 输入输出接口是实现模糊控制算法的计算机与控制系统连接的桥梁，包括 a d 、d a 及电平转换线路。 4 模糊控制器 模糊控制器一般由计算机实现，用计算机程序和硬件实现模糊控制算法。现 在也有一些实现模糊逻辑推理的算法，成为模糊控制器的重要组成部分心”乜引。 2 3 2 模糊控制在永磁同步电机控制系统中的设计 在常规控制中，控制是最简单实用的一种控制方法，它既可以依靠数学 模型通过解析的方法进行设计，也可不依赖模型而凭借经验和试凑来确定。模 糊控制器具有反应速度快、动态特性好的特点，但是常规模糊控制器不能使误 差降低到零，在稳态情况下总有一个小的静态误差。加大比例系数可以减小静 差，但当比例系数过大时，又会使动态特性变差，导致系统不稳定。为了消除 稳态误差，需要加入积分作用。为了克服常规模糊控制器的这一缺点，可在常 规模糊控制器中引入具有积分作用的尸，控制器，组成模糊尸，控制器。如图2 4 所示，由于它同时具有比例、积分及模糊控制的特点，因此，比常规模糊控制 器具有更先进的结构和更好的性能。 1 3 武汉理工大学硕十研究生论文 图2 - 4 模糊控制器 图中f u z z yl o g i oc o n t r o l l e r 模块为模糊控制器，它通过对系统输入误差e 和 误差变化量e c 的模糊逻辑推理分别输出对比例，积分，微分三个参数的实时变 化量，从而不断修正系统控制参数，达到最佳的控制效果心9 1 。在模糊控制系 统中，当系统误差较大时( 如误差大于1 0 0 ) 采用常规模糊控制器进行宏观定性 调节，当系统误差较小时采用控制器进行微观定量调节，从而使系统在大误 差时追求速度，在小误差时强调精度。朋控制器的参数，可利用系统在工作点 附近的线性方程进行选取m 1 。 永磁同步电机控制系统中速度环控制应该具有高精度、快响应的特性，具 体而言，反映为小的速度脉动率、快的频率响应、宽的调速范围等性能指标。 由于上述设计的模糊控制器具有反应速度快、动念特性好的特点，所以将模 糊控制应用在永磁同步电机控制系统中速度环中应该能得到很好的效果。图 2 - 5 是模糊器在永磁同步电机控制系统中的结构图。 图2 - 5 模糊器结构图 1 4 武汉理工大学硕士研究生论文 2 4 本章小结 本章介绍了永磁同步电机的控制原理和数学模型，给出了永磁同步电机的 矢量控制系统结构图，采取0 = o 的控制策略。同时介绍了模糊控制理论和模糊 控制系统的相关知识，介绍了一种模糊尸，控制器的设计。 武汉理工大学硕士研究生论文 第3 章永磁同步电机矢量控制系统仿真研究 本章将借助心删b s i m u l i n k 仿真工具对永磁同步电机控制系统进行 仿真口。首先，介绍经典p ，控制下的系统仿真，然后，结合模糊控制，设计了 比较实用的模糊控制器，并对这种控制器控制下的系统进行了仿真引。通过 这两种仿真结果的对比，可以看出模糊控制下的系统响应更加优良。 3 1 在m a t l a b s i m u l i n k 下建立系统仿真模型 图3 - 1 所示为系统整体仿真模型。该系统模型主要包括p m s m 模块、 s v p w m 模块和各控制器算法模块。其中速度控制器和电流控制器均采用尸，控 制。下面就对各个模块的结构和功能进行简要的说明。 g j i 畦 图3 - 1 永磁同步电机整体仿真模型 3 1 1 电流控制器模块 电流控制器模块的结构比较简单，如图3 2 所示。图中，p 为尸，控制器中的 比例参数，为控制器中的积分参数，s a t u r a t i o n 饱和限幅模块将输出量的幅 值限定在要求范围内。通过对尸和，参数的合理调节，得到比较理想的输出效果。 1 6 武汉理工大学硕士研究生论文 l 岛 + j 啊。 7 i 到一 + s a t ur a t i o n c 7 7 l j r 图3 2 电流控制器和速度控制器模块 3 1 2s v p w m 模块 s v p w m 模块是矢量控制的核心部分，如图3 - 3 所示。s v p w m 模块有两个 输入量和一个输出量。整个模块又分为5 个模块，模块1 、模块2 根据输入值得 到x 、】，、z 及扇区的标号，模块3 则计算确定的扇区的两个基本空间矢 量作用的时间t 、f ，模块4 是根据t 、t ，得到每相的阀值，模块5 是用固定频 率的三角波作为载波，与每相阀值相比，输出s v p w m 波形。各模块具体内容如 图3 - 4 、3 - 5 、3 - 6 、3 - 7 、3 - 8 所示。 图3 - 3s v p w m 模块 武汉理工大学硕士研究生论文 图3 - 4 模块1 c o n ，t j n i l 图3 - 5 模块2 1