（光学工程专业论文）双轮驱动电动汽车电机控制系统的研究.pdf

山东理_ t 大学硕上学位论文 摘要 摘要 随着全球环保意识的增强和能源问题的突出，电动汽车已成为节能环保绿色车 辆最主要的发展方向之一，在二十世纪得到迅速发展。电机及其控制技术是电动汽 车的关键技术之一，是研究电动汽车首先需要解决的问题。 本文以云雀轿车改装的双轮驱动纯电动汽车为试验平台，以无刷直流电动机为 研究对象，设计了双轮驱动电动汽车无刷直流电动机控制系统。 根据无刷直流电动机的结构和工作原理，分析了无刷直流电动机的运行特性和 调速原理，建立了电动汽车无刷直流电动机驱动系统的数学模型，同时对无刷直流 电动机双闭环调速系统的原理进行了介绍。 为提高电动汽车驱动系统的性能，无刷直流电动机采用转速外环控制和电流内 环控制相结合的双闭环控制系统。本文进行了转速环模糊p i d 控制器和电流环p i 控 制器的设计，建立了无刷直流电动机驱动控制系统的仿真模型，仿真结果证明，该 控制策略是合理可行的。 本文采用高速数字信号处理器( d s p ) 作为控制芯片，给出了系统有关的硬件电路 设计方案。在软件设计方面采用模块化设计思想，利用d s p 集成开发环境c c s 进 行软件调试，提高了开发效率。 最后，进行了无负载台架试验，然后将电机及其控制器装配到试验平台上进行 动态调试。试验结果表明，本文提出的双轮驱动电动汽车无刷直流电动机控制系统 具有良好的控制性能，运行可靠。 关键词：电动汽车；无刷直流电动机；双轮驱动；模糊p d ；d s p 山东理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mm ee n h a n c e m e n to fg l o b a le n v i r o n m e n t a lc o n s i d e r a t i o n sa i l d 也ep r o m i n e n c eo f e n e r g yp r o b l e m s ，e l e c t r i c v e h i c l eh a v eb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt i e n d sf o r e n e r g y - s a v i n gg r e e nv e h i c l e ，a i l dd e v e l o p e dq u i c k l yi n2 0 t l lc e 肿m ) r m o t o ra i l di t sc o n t r o l t e c h n o l o g yi so r l eo f t h em o s ti m p o r t a l l tt e c h n o l o g i e st l l a tm u s tb es o l v e df i r s t l y 1 k sp 印e ru s e de l e c t r i cv e h i c l eo fd u a lw h e e l “v i n gb a s e do nr e f i 讹dl a r kc a ra s t e s t i n gp l a t f i o r m ，a n dt a k e nb l d cm o t o r 勰t h er e s e a r c hs u b j e c t ，也e nd c s i g n e dc o n t r o l s y s t e mo fb l d c m o t o r a c c o r d i n gt om es t m c t u r ea n dm o v e m e n tp r i n c i p l eo fb l d cm o t o r ，t h i sp a p e r a i l a l y z e dt h em o v e m e n tc l l a r a c t e r i s t i c 锄dt h ev e l o c i 锣m o d u l a t i o np r i n c i p l eo fb l d c m o t o r b u i l tt h em a m e m a t i c a lm o d e lo ft ：h es y s t e m 肌di n t r o d u c e dm ep r i n c i p l eo fb l d c m o t o rd o u b l e l o o ps p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m i oi m p r o v ep e 晌加1 a n c eo fe l e c t r i cv e l l i c l e 嘶v e ns y s t e m ，b l d cm o t o ru s e d 伯，o - c l o s e d 1 0 0 pc o n 仃d ls y s t e mc o m b i n e db ys p e e do u t e rl o o pa n dc u r r e n ti n n e rl o o p t l l i s p a p e rd e s i g n e ds p e e do u t e rl o o pf u z z y - p i dc o n 仃o l l e ra i l dc u r r e n ti 姐e rl o o pp ic o n t r o l l e r ， a n de s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fb l d cm o t o rd r i v e nc o n t r o ls y s t e m t h er e s u h so f s i m u l a t i o np r o v e dt h a tc o n t r o ls t r a t e g yi sr a t i o n a l 舳df e a s i b l e u s i n gh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s p ) a sc o n t r o lc h i p ，a n dg i v e n t h es y s t e m h a r d w a 鹏c i r c u i t sd e s i g l ls c h e m e a tt l l ea s p e c to fs o n w 鹏w h e r em o d u l a rd e s i g l lw 嬲l l s e d ， d s pi m e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o 眦e n tc c s 、v 勰u s e dt od e b u gs o 肌a r e ，a n d d e v e l o p m e n te m c i e n c yw a se l l l 瑚c e d f i i l a l l y ，i l o 1 0 a db e n c ht e s tw a sd o n e t e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tc o n t r 0 1s y s t e mo f b l d cm o t o rf o re l e c t r i cv e l l i c l eh a sg o o dc r e d i b i l 毋锄df a v o r a b l ec o n t r o lp e r f o m a l l c e k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；b l d c ；d u a l 、h e e ld r i v i n g ；f u z z y - p i d ；d s p 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，也不包含为获得山东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。 研究生繇彳龛啼帆爰捌年月岁日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签辄衙如僻 ， 、 铷一钴中 导师签名：叼r 蟛，。勤 秀飞yy 时间：召年月3 日 时间：砂了年月岁日 山东理工人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及选题意义 第一章绪论 电动汽车是2 0 世纪最伟大的2 0 项工程技术成就的前两项技术的融合，即“电气 化”和“汽车 的融合产物【1 1 。1 8 7 3 年戴维逊研制成功了电动汽车( e l e c t r i cv d l i c l e ，简 称e 。然而由于电池技术的限制，电动汽车的一些难题一直无法解决，比如一次充电 续驶里程短、充电时间长和使用不便等问题；而与此同时，内燃机技术获得了前所未有 的发展，其性能大大超越了电动汽车，至此电动汽车开始衰落。从上个世纪9 0 年代以 来，随着世界汽车保有量的急剧增长和汽车工业的飞速发展，传统的内燃机汽车对人类 环境的污染越来越严重，约有4 2 的污染来自于燃油汽车的排放，环境保护的呼声日 益高涨，再加上石油储量日益短缺的压力，迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。电 动汽车再度成为世界各国的研究热点【2 】。 电动汽车以其具有的节能、低噪声、能源多样化、零排放污染( 称之为“绿色环保 汽车”) 等突出优点，必将成为二十一世纪的重要交通工具之一，开发前景十分广阔。 因此发展电动汽车早已被公认为解决未来能源与环境问题的最有希望的措施之一，在世 界范围内得到各国政府、企业和科研机构的重视【3 】【4 】【5 】【6 】。然而考虑到电机在控制性能方 面的优势，电动车相对于内燃汽车，并不仅在于单纯的动力源的更替；相反，电气驱动 应为汽车技术的全面进步发挥更为积极的作用。特别是装备多个电机的电动车，由于其 特殊的布置形式而在提高汽车操纵稳定性方面具有令人瞩目的潜力1 7 j 。 在传统汽车领域，我国与发达国家相比，差距较大，而在电动汽车领域，我国与国 外技术水平和产业化程度差距相对较小，基本处于同一个水平线上。我国电动汽车的研 发已有了一定的基础，一些企业在上世纪9 0 年代中期己推出了电动汽车样车，但目前还 没有形成规模化生产。因此我们必须抓住这一机遇，大力发展电动机汽车，使电动汽车 的研发和产业化跃居世界前列j 。 1 2 国内外电动汽车的发展状况 1 、国外的发展状况f 9 】 美、法、日等几个汽车工业发达国家目前都已经研制出了各类电动汽车。 美国在电动汽车研制开发方面处于世界领先地位。近几年美国能源部与汽车业合作 伙伴合作，主要研究和开发混合动力汽车，并使其能够尽快市场化，该研究主要以系统 山东理工人学硕上学位论文第一章绪论 研发为主导，包括三个要素，即定义技术要求、技术开发、系统验证。2 0 0 2 年1 月7 日，通用汽车公司在北美国际汽车展上，推出了一款高科技环保型燃料电池概念车一 一“自主魔力”( | a u t o n o m y ) ，它被认为代表了汽车工业未来的发展趋势。随后福特和克 莱斯勒公司也相继推出了自己的混合动力电动汽车( h e l n 。 法国的电动汽车主要采用铅酸电池，很早之前法国政府就在城市环卫部门使用电动 汽车，目前为止在全法国有超过一千辆电动汽车在试运行，计划在两年内会向市场投放 一批电动汽车。法国政府对电动汽车的研制开发给予资助，对购买电动汽车的用户一定 数额的保证金，用于推广电动汽车的市场。 1 9 7 2 年，日本成立了“日本电动汽车协会”，与此同时日本政府制定了鼓励电动汽 车开发与应用的政策。为了促进电动汽车的推广应用，日本电动汽车协会于1 9 7 8 年制定 了“电动汽车试用制度”，每年向试用者提供试用费，电动汽车试用者包括日本各地的 公司、政府下属机构等。1 9 9 7 年1 2 月，丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第 一款批量生产的混合动力轿车p 剐叮s 。目前推出的产品已经是多次改进后的第二代产 品，其生产工艺更为成熟。2 0 0 3 年1 月5 日，丰田公司在美国底特律召开的北美国际车展 上，展出了一款混合动力s u v 概念车一“s u h v 。在此之前，丰田在全世界率先 实现了混合动力汽车的批量生产。 2 、国内的发展状况 我国政府大力支持电动汽车的发展，科技部在国家的“8 6 3 计划中特别设立了电 动汽车重大专项。重大专项提出了“三纵三横”研究开发布局：“三横 是指纯电动汽 车、混合动力汽车和燃料电池汽车的整车；“三纵”是指电池、电机和控制系统的关键 零部件l l u j 。近年来，已经研制出了以铅酸电池为动力源的样车，主要包括：以北京理 工大学为主研制的电动大客车；东风汽车公司、武汉工业大学、中国船舶工业总公司 7 1 2 研究所等单位联合研制开发的电动汽车；华南理工大学研制的电动轻型客车，还有 北京工业大学、武汉长江电力公司、天津汽车研究所等也研制出了自己的电动汽车样 车。东风汽车公司1 9 9 6 年就推出电动汽车样车，近来该公司联合湖北省的高校和科研 力量共同组建了“东风电动车辆股份有限公司”专门开发生产电动汽车；清华大学成立 的北京清华新能源汽车工程中心承担了国家“8 6 3 ”项目燃料电池城市客车整车技 术的研究开发和北京市科委有关电动汽车的研究课题，目前已经研制出1 2 辆1 6 座中巴 环保燃料电池轻型客车样车并投入运行【1 1 1 。 电动汽车的特点及关键技术 l 、电动汽车的特点【1 2 】 ( 1 ) 效率高。虽然内燃机技术经过一个世纪的发展已经相当成熟，但其对燃油的能 量转换效率却非常低。电动汽车采用电机驱动系统，电池能量的8 0 以上能够转化为 2二 山东理工大学硕上学位论文第一章绪论 汽车动力。此外，电动汽车在制动时具有回收能量的能力，这更加提高了电动汽车的能 量使用效率。 ( 2 ) 环境污染低。在行驶过程中电动汽车不排放尾气，即使以全部能量都归结为火 力发电的状况计算，与燃油汽车相比较，它的废气排放量也会大幅减少。 ( 3 ) 控制性能好。电动汽车采用电机代替了传统的内燃机，因此通过电气参量可以 非常方便的控制动力系统，从而提高了电动汽车的可控性。 ( 4 ) 噪音低。汽车振动和噪音的来源主要是发动机的振动和噪音，与内燃机汽车相 比，电动汽车明显减小了电动机所引起的振动和噪音，这使得电动汽车运行时的噪声比 燃油汽车减小了很多。 2 、电动汽车的关键技术【1 3 1 【1 4 】【1 5 1 电动汽车作为机械、电子、能源、计算机、汽车、信息技术等多种高新技术的集 成，是典型的高新技术产品，其最终目标是实现智能化、数字化和轻量化。目前，研制 和开发的关键技术主要有电池、电动机、电动机控制、车身和底盘设计，以及能量管理 技术等，其中前3 项是电动汽车的发展瓶颈。 ( 1 ) 电动汽车用电池 电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用 电池的主要性能指标是比能量( e ) 、能量密度( 易) 、比功率( 尸) 、循环寿命( 三) 和成本 ( c ) 等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、 使用寿命长的高效电池。 ( 2 ) 电动机及其控制技术 电动机与驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车有良好的使用性能，驱动 电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、体积小、质量小、效率高且有动态制动 强和能量回馈等特性。目前电动汽车主要的驱动系统包括直流驱动系统和交流驱动系 统。直流驱动系统主要是直流电机的斩波调速系统；交流驱动系统包括感应电机的变频 调速系统、永磁同步电机的变频调速系统和开关磁阻电机的调速系统。 1 4 电动汽车驱动系统 1 、电动汽车驱动系统结构 电动汽车的电机驱动系统是由牵引电机、控制系统和车轮等构成。控制系统接收加 速踏板、刹车和p d r n ( 停车、前进、倒车、空档) 、转向盘的输出信号，经过信号处理 后输入到电机驱动器来控制电机的转矩和转速，驱动车轮u 6 j 。 电机驱动系统是电动汽车的心脏，也是电动汽车研制的关键技术之一【1 7 】【1 引。电动 汽车的电机驱动系统是能量存储系统与车轮之间的纽带，其作用是将能量存储系统输出 的能量( 化学能、电能) 转化为机械能，推动车辆克服各种滚动阻力、空气阻力、加速阻 3 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 力和爬坡阻力，制动时将动能转换为电能回馈给能量存储系统。 2 、电动汽车对驱动系统的要求 电动汽车通过电机控制器驱动电机，电机将电能转换为机械能来驱动汽车，电动汽 车对驱动控制系统的要求如下【1 9 】【2 0 】： ( 1 ) 瞬时功率大，过载能力强，加速性能好。 ( 2 ) 调速范围广，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，以满足快速起动和爬坡要求；在恒功率区要求低转矩运行时具有较高的速度，以满 足汽车在平坦路面上能够高速行驶的要求。 ( 3 ) 在整个运行的范围内效率最优化，提高一次充电的续驶里程。 ( 4 ) 具有良好的环境适应性，在不同的工作条件下能可靠地运行。 ( 5 ) 再生制动时能量回收率高。 ( 6 ) 维护简单，工作噪声低。 3 、功率半导体器件的发展【2 1 】圈 电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密 切相关、相互促进的。近几十年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制 的面貌和应用，而功率器件的发展是电力电子技术发展的动力，一代新型功率器件的出 现，总是带来一场电力电子技术的革命。 自从上个世纪5 0 年代，硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究取得了飞速的 发展。6 0 年代后期，可关断晶闸管g t o 实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩 展到1 k h z 以上。7 0 年代中期，高功率晶体管和功率m o s f e t 问世，功率器件实现了 场控功能，使得高频应用成为可能。8 0 年代，绝缘栅门控双极型晶体管( i ( m t ) 问世， 它综合了功率m o s f e t 和双极型功率晶体管两者的功能，是当前应用最为广泛的功率 器件。在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展，目前，对每一类功率器 件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成电路都是经过优化设计而 定型的，它的使用可大大提高整机的可靠性，为整机设计者带来极大的方便。现在已可 以做到使用一片驱动器件、一个驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必为每 个开关元件单独提供电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。 4 、电机控制器的发展【2 3 】【2 4 】【2 5 】 电机控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的电机控制器 经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较 大，并且它的精度也较差，所以使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果也不理 想。因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。数字控制器与模拟控制器相比较， 具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等 优点。 随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加，用户 4 山东理工大学硕十学位论文 第一章绪论 也不断提高对电机控制技术的要求，总是希望能在驱动系统中集成更多的功能，达到更 高的性能。许多设备试图使用8 位或是1 6 位的微处理器实现电机的闭环控制，然而它 们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现。例如，在很多领域( 如工业、 家电和汽车) ，用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机。这种电机的控制可 以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现，但是这可能超出上述微 处理器的计算能力。 使用高性能的数字信号处理器( d s p ) 来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需 求是目前最为普遍的做法。将一系列外围设备如模数转换器( 刖d ) 、脉宽调制发生器 ( p w m ) 和数字信号处理器s p ) 集成在一起，就获得一个既功能强大又非常经济的电机 控制专用的d s p 芯片。 1 5 论文的主要研究内容 本课题来源于山东省自然基金( 基金编号2 0 0 4 z x l 9 ) 。论文主要利用云雀轿车改装 的双轮驱动纯电动汽车为试验平台，以无刷直流电机为研究对象，以模糊p d 算法为 基础，应用1 i 公司的1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p ，研究并设计出电动汽车双轮驱动用无刷 直流电机控制系统。本文的主要研究内容有： l 、对国内外电动汽车及其驱动系统的发展状况进行了综述，分析了电动汽车对其 驱动系统的性能要求。 2 、在深入研究无刷直流电动机控制原理的基础上，建立了电动汽车无刷直流电动 机驱动系统的数学模型，对系统的控制方案以及控制策略进行了深入的分析与研究。 3 、以m a t la _ b s i i i l l l l i r l k 为基础，建立了电动汽车用无刷直流电机控制系统的仿真模 型，并进行了仿真分析。 4 、用n 公司的电机控制专用d s p 芯片1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为核心控制芯片，设 计了系统的硬件电路及控制程序，开发了一套以无刷直流电机为驱动电机的双轮驱动电 动汽车试验平台。 5 山东理工大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的结构及调速原理 第二章无刷直流电动机的结构及调速原理 2 1 电动汽车驱动电机的选择 电动汽车的驱动电机有异步电机和同步电机两种形式。在许多工业控制的应用中， 同步电机的应用正在不断的推广。虽然其造价要比异步电动机高一些，但效率高，易于 维护，尤其应用在蓄电池供电的电动汽车上，这一点相当重要。同步电机被分为正弦波 式和梯形波式，正弦波式又叫永磁同步电机( p m s m ) ，梯形波式实质是一个表面式永磁 隐极电机，由于定子上的密集整距绕组，使得在电机端子处感应出三相梯形电压波形。 其自控方式更接近于直流电机，正因如此，又常称为无刷直流电机( b l d c ) ，它需要一 个三相逆变器为绕组供电。直流电动机去掉电刷和换相器，代之以电子换相，则有刷直 流电动机就变成了无刷直流电动机。随着电力电子技术的迅速发展，最近的电动汽车上 已经开始使用无刷直流电机【2 6 j 。 永磁无刷直流电机同其它电机相比具有几个明显优点【2 7 】： 1 、永磁无刷直流电动机没有电刷，而是利用电子换相，故克服了任何由电刷引起 的问题。 2 、永磁体安装在转子上，电枢绕组装在定子上，故散热性能好，产生的热量更容 易散发出去：结构也变得简单，并且节省了空间使其磁场损失也得到了减少。 3 、它的起动、调速特性类似于直流电机，控制简单，同时也克服了同步机的缺 点，又具有功率因数高的优点。 2 2 无刷直流电动机的结构及工作原理 2 2 1 无刷直流电动机的结构【2 8 1 无刷直流电动机的结构原理图如图2 1 所示。它主要由电动机本体、位置传感器和 电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电机相似，但没有笼形绕组 和其它气动装置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由永久磁钢 按一定极对数( 2 p - 2 ，4 ，) 组成。图2 1 中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组分 别与电子开关线路中相应的功率开关器件相联接，在图2 1 中的a 相、b 相、c 相绕组分 别与功率开关管v 1 ，v 2 ，v 3 相接。位置传感器负责跟踪转子位置，并与电动机的转轴 相联接。 6 山东理工人学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的结构及调速原理 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用 而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置信号变换成电信号，控制电子 开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化按一定 的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相 器的作用。因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开 关换相，永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。 图2 1 无刷直流电动机结构原理图 无刷直流电动机电子开关换相用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间。 位置传感器所产生的信号经过一定的逻辑处理后，控制功率逻辑开关单元，将电源以一 定的逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的 转矩。而各相绕组导通顺序和时间主要取决于转子位置传感器信号。 2 2 2 无刷直流电动机的工作原理 无刷直流电动机的电枢绕组通常有三种接法【2 8 】：三相非桥式星形接法、三相封闭 式桥式接法即三相三角形接法、三相星形桥式接法。三相星形桥式开关电路如图2 - 2 所 不o 7 山东理工大学硕_ 上学位论文第二章无刷直流电动机的结构及调速原理 图2 - 2 三相星形桥式开关电路 其中三相星形接法及其导通方式应用很广泛。本文所采用的无刷直流电动机即为三 相星形桥式接法。 定子绕组为三相，电枢绕组与各晶体管导通顺序的关系如表2 一l 所示。可以看出， 电机有六个通电状态，每一状态都是两相同时导通，每个晶体管导通角为口，_ 2 扔。电 枢合成磁场是由通电的两相磁场合成。若每相磁密在空间是正弦分布的，用向量合成法 可得合成磁密尾的幅值等于每相磁密幅值的3 倍，它在空间相应有六个位置，磁状 态角口。= 冗3 。三相星形桥式电路的通电方式称为两相导通三相六状态。 表2 1 两相导通星形三相六状态导通顺序表 2 3 三相无刷直流电动机的数学模型 无刷直流电动机转子采用弧形结构，可以获得梯形波的气隙磁场，定子采用整距集 中绕组，由逆变器供给方波电流。其一相气隙磁场感应的反电动势与供电电流之间的关 系如图2 3 所示。 8 y 似) o 三三 = 莒弓三 + 主兰三三乏蚕 p 差 + 三三 c 2 - - ， 三肋三彳c 、三删，三盯，乇三三相定子间互感5 三! = 莒吾三 睦 + 考兰錾 p 医 + 圣 q q 又因为三相对称电动机中存在+ 如+ f c = o ，所以肋爿+ 朐曰+ 蛾= 0 ，故式( 2 9 三三 = 莒吾兰 + 三专m 三 m 上呈m p 差 + 三! c 2 5 ， u 占 uc 图2 _ 4 电机等效电路图 电磁转矩方程为： ：型立咝( 2 6 ) 式中：舀一电磁转矩； 缈期械角速度。 为了产生恒定的电磁转矩，要求在每半个周期内，方波电流的持续时间为1 2 0 0 电 角度，梯形波反电势的平顶部分要求1 2 0 0 电角度以上，两者应严格同步，理想情况 下，任何时刻定子绕组只有两相导通，所以电磁转矩可以变为： 瓦= 2 e 。，。国( 2 - 7 ) 式中：e 。定子绕组各相反电势的幅值； ，。定子绕组各相电流的幅值。 又因为无刷直流电动机的定子绕组各相反电动势的幅值为： e 册= 召，。，= b ，蠢。2 石， ( 2 - 8 ) 主磁通为： 。：b ，丝( 2 9 ) p m 式( 2 8 ) 可化为： e = 訾峨一疋哦刀 ( 2 - 1 0 ) 式中：k ，电势系数3 相绕组等效匝数； p 。极对数； 刀电机转速。 因此电磁转矩表达式可化为： 1 0 山东理工大学硕士学位论文第二章无刷直流电动机的结构及调速原理 疋：2 e d l 缈：疋。厶竺( 2 1 1 ) 万 由式( 2 1 1 ) 可以看出，无刷直流电动机电磁转矩大小与磁通和电流幅值大小成正 比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制无刷直流电动机的转矩。再加上转子 运动方程： 如威= ( 一瓦一召国) ，( 2 - 1 2 ) 式中：l 负载转矩； b 骷滞阻尼系数； ，- 转子及负载的转动惯量。 这样就构成了完整的三相无刷直流电动机的数学模型。 2 4 电动汽车动力学模型 和普通的汽车一样，电动汽车行驶的过程中受到四个阻力：行驶阻力、空气阻力、 加速阻力和坡度阻力。由于本文选用无刷直流电机，电机与车轮刚性连接，中间没有传 动装置而导致的机械功率损失，所以这四个阻力经过车轮及车身直接传递给驱动电机， 构成了电动汽车行驶时驱动系统的阻力转矩例。 正= 乃+ l + z + 乃 ( 2 _ 1 3 ) 巧= 耐( 2 一1 4 ) 瓦= 罴v ：， 乃= 彬g 厂留口 ( 2 - 1 6 ) l t2mgrlga、z-ib) 乃= 跏警 ( 2 1 7 ) 式中：l _ 滚动阻力矩； l 空气阻力矩； z 啵度阻力矩； 丁，加速阻力矩； 肌气车质量； 厂滚动摩擦阻力； ，车轮半径； 空气阻力系数； 么_ j 电风比； 1 ，。汽车车速； 口啵度； 11 山东理工大学硕士学位论文第二章无刷直沉电动机的结构及调速原理 万质量换算系数。 电动汽车在行驶过程中汽车车速与无刷直流电动机转速的关系为 1 ，。= 2 万( 2 1 8 ) 将式( 2 - 1 4 卜式( 2 - 1 8 ) 代入式( 2 1 3 ) 便得 z = 缈+ 罴咖+ 嘴甜+ 翻鲁， + = 缈+ 等+ 聊g f g 凹+ 2 万2 翻警 ( 2 - 1 9 ) 式( 2 - 1 2 ) 中的瓦与式( 2 1 9 ) 中的z 的关系取决于电动汽车的驱动形式和驱动电机的 数量。 在本文仿真实验中，假设电动汽车在水平的路面上行驶，那么有z = 0 。 2 5 双闭环控制调速特性及原理 无刷直流电动机转速负反馈单闭环控制系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速 无静差，但又不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，因而常在对动态性能要 求不高的场合采用。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载 动态速降小等场合，单闭环控制系统就难以满足要求。为了改善无刷直流电动机控制系 统的动态特性，就很有必要在转速负反馈单闭环控制系统的基础上再引入电流负反馈环 来控制系统动态过程的电流和转矩【3 0 】。b l d c 作为电动汽车驱动系统，为了满足无超 调、抗负载扰动能力强、实时性和快速响应性好的要求，系统采用转速环、电流环双闭 环控制策略，电流环的一个重要作用就是保证电枢电流在动态过程中不超过允许值，即 电流环首先能够起到抑止超调的作用，对于转速环，稳态无静差是最根本的要求。 本课题的控制对象为三相永磁无刷直流电机，根据对控制系统的基本要求，做出如 图2 5 的系统设计方案，采用转速环和电流环构成双闭环控制系统。 电流反馈 图2 5b l d c 全数字控制系统框图 1 2 山东理丁大学硕士学位论文 第二章 无刷直流电动机的结构及调速原理 2 5 。1 调速特性【3 1 】【3 2 】【3 3 】【3 4 】 控制系统的计算顺序是先计算转速环( 图2 5 中主回路大闭环) ，后计算电流环( 图2 5 中副回路内环1 。控制方式有两种：一种是同步采样控制，即主、副回路的采样控制周 期相同。另一种是异步采样控制，即主回路的采样周期是副回路采样周期的整数倍。这 是因为一般串级控制系统中主回路受控对象的响应速度慢，副回路受控对象响应速度快 的缘故。这时应根据副回路选择采样周期，因为副回路的受控对象的响应速度较快。 电流内环的作用是使电机电枢电流( f 。，屯，f c ) 服从它的给定电流值一，当日。，不变 时，它表现为恒流调节，当日衍变化时，它表现为随动调节。若h ，不变，则电流环中 的p i 控制器必将使日，= 日。，即埘，= 日“一日疗= 0 ，实现无差调节。因此，从静 态特性上看，电流内环有使静特性变软的趋势，电流负反馈对于转速环来说相当于一个 扰动作用，只要转速环的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就 能受到抑制。而转速环采用f 1 l u z y - p d 调节器，整个系统是无静差的调速系统。也就是 说，当转速环不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降完全被转速控制器的积分 作用消除。一旦转速控制器饱和，转速环即失去作用，只剩下电流环起作用。这时，系 统表现为恒流调节系统，静特性呈现很陡的下降趋势。 转速外环和普通的单闭环调速系统没有根本的区别，不同的是双闭环调速系统转速 控制器的输出为电流环的给定值h 如图2 5 所示。从动态响应过程来看，在瞬时加 大给定转速信号日。时，转速负反馈很小，近似为零，转速控制器很快处于饱和状态， 输出为电流环给定值日经过电流控制器，使电动机很快地起动。起动后，虽然转速 反馈电压信号日而增长了，但是在，；， 日。，偏差量脯变成负值，转速环退出饱 和。因此，在整个升速过程中，转速环一直处于饱和，这相当于使转速环处于开环状 态，系统只在电流环的恒值作用下以最大电流起动。直至超调后，转速环才真正发挥作 用，使转速渐趋稳定。这样，就巧妙地利用了转速控制器的饱和非线性，在一段时间内 使它的作用隔断，使系统在起动过程中基本上表现为恒流调节。 总之，转速外环和电流内环二者共同构成串级控制系统，通过p w m 脉宽控制 器，产生方波脉冲控制信号，经三相逆变器驱动电路，实现对电机的控制。这样系统 不仅能控制转速，而且能控制电流，充分利用电机的过载能力，获得较快的动态响应。 双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定 运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个控制器的作用，获得了良好的 静、动态品质。 2 5 2 调速原理【3 5 】【3 6 】【3 刀 1 3 山东理工大学硕上学位论文第二章无刷直流电动机的结构及调速原理 电动机的转速和电流分别有两个独立的控制器控制，转速控制器的输出就是电流控 制器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。起动时，让转速外 环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化， 迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使实际转速随给定转速的 变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。当转速低于 给定转速时，转速控制器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节 使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给 定转速时，转速控制器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流 下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。当转速控制器饱和输出达到限幅值时，电流 环即以最大电流实现电动机的加速，使电动机的起动时间最短，在可逆调速系统中实现 电动机的快速制动。 1 4 山东理工大学硕上学位论文第三章基于模糊p i d 的无刷直流电动机控制 第三章基于模糊p i d 的无刷直流电动机控制 3 1 模糊控制与p d 控制 3 1 1 模糊控制系统p 8 1 1 、模糊逻辑的历史 模糊逻辑的概念是美国加利福尼亚大学著名教授l a z a d e h 首先提出的，以表示并 利用模糊的和不确定的知识。1 9 6 5 年，l a z a d e h 首次提出了“模糊集合”的概念，并 于1 9 7 3 年，提出了用模糊语言进行系统描述的方法，给出了模糊推理的理论基础，为 模糊控制的实施提供了有效的手段。1 9 7 4 年，a m 锄d a l l i 和他的学生在( 岫e nm a r y 学 院首次应用模糊逻辑，实现了蒸汽发动机的模糊控制实验。自此，模糊控制在控制工程 中的应用有了一个飞速发展的历史。 2 、模糊集及隶属函数 模糊集的概念是与古典集的概念相对应的。模糊集既区别于古典集，又与古典集有 密切的关系。古典集用于描述“非此即彼”的清晰概念。对于一个古典集合，一个给定 的元素要么属于它，要么不属于它。而模糊集由于描述一个没有明确、清楚地定义界线 的集合，即它所包含的元素可以部分地隶属于这个集合。一般地，可以用三种方法来表 示一个模糊集，分别是z a d c h 记法、序偶集合记法及模糊向量记法。 隶属函数伍，m e m b e r s l l i pf u c t i o n ) 是一条曲线，它定义了怎样将输入空间上的每 一点映射到一个o 到1 之间的隶属度。隶属函数的确定方法主要有：模糊统计法、三分 法和增量法。b 样条隶属函数、高斯隶属函数是常用的两种隶属函数。 3 、模糊关系与模糊推理 ( 1 ) 模糊关系 。 描述元素之间是否相关的数学模型称为关系，描述元素之间相关程度的数学模型称 之为模糊关系。模糊关系是普遍关系的拓展和发展，而普通关系可认为是模糊关系的特 例。模糊关系是模糊数学的重要组成部分。当论域有限时，可用模糊矩阵表示模糊关 系，模糊矩阵为模糊关系的运算带来了极大的方便，成为模糊关系的主要运算工具。模 糊关系是描述元素之间相关程度的数学模型，其定义为： 两个非空集合u 和y 之间的直积u y = i “u ，v y 中的一个模糊 子集r 被称为u 到矿的模糊关系，又称为二元模糊关系。其特性可以用下面的隶属函 数来描述：u y 一 0 ，l 】，隶属函数r ( “，1 ，) 表示序偶 i 的隶属函 15 山东理工大学硕上学位论文 第三章基于模糊p i d 的无刷直流电动机控制 数，也描述了 i 间具有关系r 的量级。当论域为刀个集合u ，( f - 1 ，2 ，3 ，力) 的直积u u ：u ，u 。时，它们对应的模糊关系犬则成为刀元模糊关系。 ( 2 ) 模糊规则与模糊推理 模糊i a h e n 规则称为模糊隐含或模糊条件语句。i 甜坨n 规则语句用于阐明包含模 糊逻辑的条件语句。一个单独的模糊i m e n 规则形式如下： i f x i s a 恤n y i s b 其中a 和b 是由模糊集合分别定义在x ，y 范围( 论域) 上的语言值。模糊规则中的i f 部 分“xi sa ”被称为规则的前提或假设，同时m e n 部分“yi sb 被称为结果或结论。 实质上，该表达式描述了变量x 与y 之间的关系。因此，我们可以把i f m i m 规则定义 为乘积空间中的二元模糊关系。 推理是对于一个特定表述的解释过程，它利用所有的有用知识以产生最佳的输出估 计，也就是说从已知条件求未知结果的思维过程就是推理。 模糊逻辑推理是一种补缺性的推理方法，其基础为模糊逻辑，它是在二值逻辑三段 论的基础上发展起来的。由于它缺少现代形式逻辑中的性质及理论上的不完善，这种推 理方法还未得到一致的公认。但是，这种推理方法所得出的结论与人的思维一致或相 近，在实践中证明是有用的。模糊推理是一种以模糊判断为前提，运用模糊语言规则， 推出一个新的近似的模糊判断结论的方法。常用的模糊推理方法主要有z a d e h 推理法、 m a m d a l l i 推理法及b a l d w i i l 推理法等几种。 3 1 2 p d 控制器 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是p d 控制。p d 控制器是一种线性 控制器，按照闭环系统误差信号的比例口) 、积分( d 、微分通过线性组合构成控制 量，对被控对象进行控制，称为p d 控制网。 l 、p d 控制器原理 在连续控制系统中，p d 控制规律为 “尸卜+ 枷m 刽 b ， 其传递函数形式为 g = 器瑙尸( 去哪 p 2 ， 其中：甜控制器的输出信号； p ( ) 系统的偏差信号； k 。比例系数； 山东理工大学硕上学位论文第三章基于模糊p i d 的无刷直流电动机控制 l 积分时间常数； l 微分时间常数。 2 、常用数字p d 控制算法 在计算机控制系统中，常用的数字p d 控制算法分为位置式和增量式两种算法。 计算机控制实质是采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，首先将式( 3 1 ) 的连续时间项、积分项和微分项进行如下离散化处理 r 七r ( 七= o ，1 ，2 ) 胁前丁喜酊d ( 3 - 3 ) 业! ( 丝! 二! 睦二! 幽 d lt 其中：卜一算机采样周期； 饥限1 ) 刀- 第如1 个采样时刻的输入偏差值； p 乃第七个采样时刻的输入偏差值。 在采样周期足够短的情况下，综合式( 3 1 ) 和式( 3 3 ) 可以得到离散的p d 表达式为 正 甜( 七丁) = k p p ( 七力+ k j p ( ，r ) + k d p ( 打) 一p 【( 七一1 ) 丁b ( 3 _ 4 ) 面 其中：甜第七个采样时刻的计算机输出值； k 。嘏分系数k ；= k 。丁乃； k d 微分系数k d = k 口丁。 上式为常用的位置式p d 算法，这种算法虽比较直观，但由于是全量输出，所以 每次输出均与过去的所有状态有关，计算时要对p ( 勋进行累加，计算机运算工作量大。 由于计算机的输出甜直接对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障或z ，( t 乃 的大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，对系统非常不利，因而产生了增量式 p d 控制的控制算法。增量式p d 算法有效地解决了这个问题。所谓增量式p d 是指 数字控制器的输出只是控制量的增量幽。 由递推原理可知 l 甜( 灯) = 甜( 七丁) 一甜【( 七一1 ) 丁j = k p p ( 七丁) + k ，p ( 后丁) + k d p ( 七d 一p 【( 七一1 ) 丁b ( 3 5 ) 【甜( 七r ) = 甜l ( 七一1 ) 丁j + 甜( 七丁) 式中 p ( 七丁) = p ( 七r ) 一e 【( 七一1 ) 丁】 式( 3 5 ) 为增量式p d 控制算法。采用增量式控制算法，计算机只输出控制增量， 即执行机构位置的变化部分，误动作影响较小。因算式不需要累加，计算量较小，容易 通过加权处理获得比较好的控制效果，不足之处是积分截断效应大、有静态误差、溢出 17 山东理工大学硕士学位论文第三章