（光学工程专业论文）电动汽车异步电动机模糊矢量控制研究.pdf

山东理工人学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着世界汽车保有量的急剧增加，能源和环境问题更加突出，人们迫切需要寻 求种低排放和节约能源的交通工具。电动汽车以其在节能和环保方面的巨大优 势，己成为世界各国竞相研究的热点，必将成为2 1 世纪重要的交通工具之一。 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，它直接 决定电动汽车的性能。2 0 世纪9 0 年代以后，电动汽车开始使用交流驱动系统来取 代直流驱动系统，而今交流驱动系统已成为驱动系统的主流。 本文根据异步电动机矢量控制理论，深入研究了电动汽车异步电动机驱动系统 控制的技术与方法。通过坐标变换将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直 流分量并分别加以控制，从而实现异步电动机磁通和转矩的解耦控制，达到直流电 动机的控制效果。 异步电动机矢量控制中转速、转矩等调节均采用p i 控制器，为克服控制器固定 参数所引起的控制性能变差的问题，本文设计了模糊p i d 控制器。根据控制系统的 运行状况，用模糊控制器在线调整p i d 的参数，使控制系统获得良好的动、静态性 能。 在异步电动机矢量控制和模糊p i d 控制器地基础上建立了电动汽车用异步电动 机模糊矢量控制系统的仿真模型。用m a t l a b s i m u l i n k 对控制系统进行了仿真研究， 仿真结果表明该控制系统具有良好的性能。 以t i 公司的电机控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为系统的核心控制芯 片，设计开发了一套电动汽车异步电动机矢量控制的实验平台，并且对智能功率模 块i p m 、d s p 芯片、电流和转速检测电路以及异步电动机矢量控制系统各个功能模 块的d s p 编程实现都进行了详细的介绍。 关键词：电动汽车；异步电动机：矢量控制：模糊控制：p i d 控制：d s p 山东理工大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i l ht h ev e h i c l er e t e n t i o ni n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l yi nt h ew o r l d e n e r g ya n de n v i r o n m e n t p r o b l e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s t r a n s p o r t a t i o nt o o l sw i t hl o we x h a u s ta n d h i g le n e r g ye f f i c i e n c ya r eu r g e n t l yn e e d e d t h ee l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) ，w h i c hi sg e n e r i c a l l y e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l f r i e n d l y ，h a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n th o t s p o ti n t r a n s p o r t a t i o nv e h i c l er e s e a r c hw o r l d w i d e e vw i l lb e c o m e o d eo fm o s ti m p o r t a n t t r a n s p o r t a t i o nt o o l si n2 1 s tc e n t u r i e s m o t o rd r i v es y s t e mi st h eh e a r to ft h ee v ，i so n eo ft h ek e yp a r t so fv e h i c l ea n d d e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ee vd i r e c t l y 。s i n c e19 9 0 s ，a cm o t o rd r i v es y s t e mh a s b e c o m et h em a i n s t r e a md r i v es y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l e ，r e p l a c i n gt h ed cd r i v es y s t e m t h i sp a p e rt h o r o u g h l ys t u d i e st h ec o m r o lt e c h n i q u ea n dm e t h o do fi n d u c t i o nm o t o rd r i v e s y s t e mo fe v ，u s i n gv e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r b yt r a n s f o r m i n gc o o r d i n a t e ，t h e s t a t o rc u r r e n ti sd e c o m p o s i n gt w od cp a r t sw h i c ho r i e n t a t e da st h er o t a t o rm a g n e t i cf i e l d a n dc o n t r o l l e dr e s p e c t i v e l y ，s om a g n e t i cf l u xa n dt o r q u ea r cd e c o u p l e d i tc o n t r o l st h e a s y n c h r o n o u sm o t o r a sas y n c h r o n o u sw a y i nt h ev e c t o rc o n t r o l ，t h ec o n t r o lo fr o t o rs p e e d ，r o t o rt o q u e ，e t ca x ea l la d o p t e dp i c o n t r 0 1 b e c a u s eo f t h ep a r a m e t e rf i x e d ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o n t r o ls y s t e mw i l lb eb a d t h i sp a p e rd e s i g n sf u z z yp i dc o n t r 0 1 a c c o r d i n gt h er u n n i n gc o m p l e x i o no ft h es y s t e m , t h ep a r a m e t e r so fp i dc o n t r o la r ea d j u s t e du s i n gf u z z yc o n t r 0 1 s ot h ec o n t r o ls y s t e mh a s g o o dd y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s b a s e do i lt h ev e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o ra n df u z z yp i dc o n t r o l l e r ，t h ef u z z y v e c t o rs y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o rf o re vi sc o n s t i t u t e db ym a t l a b s i m u l i n k t h er e s u l t s h o w st h a tt h ed r i v es y s t e mh a se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e u s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao f t ic o m p a n y ，w h i c hi ss p e c i f i cf o rm o t o rc o n t r o la sc o r e c o n t r o lo fs y s t e mt h ed s p ，v e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o rf o re ve x p e r i m e n tp l a t f o r m i sd e v e l o p e d t h ei p m ，t h ed e t e c tc i r c u i to fc u r r e n ta n dm o t o rs p e e d ，d s pa n dt h ep r o g r a m i m p l e m e n to ft h ef i m c t i o nm o d u l eo ft h es q u i r r e l - c a g ei n d u c t i o nm o t o r v e c t o rc o n t r o l s y s t e ma r ea l lp r e s e n t e dp a r t i c u l a r l yi nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；i n d u c t i o nm o t o r ；v e c t o rc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；p i dc o n t r o l ； d s p 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。 研究生签名：矿畿微 时间：哆年月f 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) 研究生签名 导师签名 时间：哆年月，日 时间：纡年多月日 辫 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 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l l j 。早在1 8 8 1 年，法国工程师g u s t a v et r o u v e 装配的以铅 酸电池为动力的三轮车是世界上第一辆以可充电电池为动力的电动汽车1 2 j ，它比内燃机 汽车还早一些。最早的电动汽车制造工厂是m o r r i s 和s a l o m 拥有的电动客车和货车公 司1 3 l a 在2 0 世纪初蒸汽汽车、电动汽车和内燃机汽车基本上三足鼎立1 4 j ，然而由于电池 技术的限制，电动汽车一次充电续驶里程短、充电时间长和使用不便的难题一直无法解 决，与此同时，内燃机技术的不断发展，内燃机汽车在性能、机动性、车辆的重量等指 标上大大超过了电动汽车，至此电动汽车开始衰落。 进入2 0 世纪8 0 年代，随着世界汽车保有量的急剧增长，传统的内燃机汽车对人类 环境的污染越来越严重，环境保护呼声的高涨和石油储量日益短缺的压力追使人们重新 考虑未来汽车的动力问题。以美国为首的一些西方国家开始制定并严格执行尾气排放标 准【卯，与此同时，现代水力发电、核能发电、风力发电和太阳能的利用为人们提供了巨 大的电能。各种高能蓄电池和高效率电机的不断出现，使人们把目光转向了电动汽车。 电动汽车包括纯电动汽车( e v ，日e c t r i ev e h i c l e ) 、混合动力汽车( h e v ，h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ) 和燃料电池汽车( f e v ，f u e le l e c t r i cv e h i c l e ) 三种形式，它是理想的 零排放或低排放车辆州。 我国石油资源比较贫乏( 居世界第l o 位) ，从1 9 9 3 年开始我国已从石油出口国转 变为石油进口国。据世界能源组织预测，到2 0 1 0 年中国石油进口量将超过1 8 亿吨， 占总用量的5 0 以上。我国入口密度集中，大中城市机动车尾气的排放已占相当高的 比例，据联合国调套，世界污染最严重的l o 大城市中有7 个在中国。近几年随着我国 汽车保有量的快速增长，汽车尾气已成为大气污染的罪魁祸首【7 l 。在传统汽车领域，我 国落后于发达国家= 三十年，已经失去了追赶的机会，而在电动汽车领域，我国与匿外 技术水平和产业化程度差距相对较小，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 年代中期已推出了电动汽车样车，但目前还没有规模化生产的电动汽车 产品出现。因此我们必须抓住这机遇，大力发展电动机汽车，使电动汽车的研发和产 业化跃居世界前列嗍。 山东理工大学硕士学位论文 第一掌绪论 1 2 国内外电动汽车的发展状况 美国、法国、德国、日本等工业发达国家对电动汽车的研制开发投入了大量的人 力、物力，并己取得了显著成绩，在电动汽车的车速、续驶里程、加速能力、车用蓄电 池、基础设施等方面都有了较大的进步 9 1 。日本丰田汽车公司率先于1 9 9 7 年1 2 月将混 合动力型p r i u s 轿车投放本国市场；美国的通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司组成美 国先锋电子财团( u s a b c ) 积极从事电动汽车的开发：美国政府为了推动电动车的开 发进程不断制定有关法规，特别是加州已经颁布了“零排放”的汽车排放法规，并规定 了阶段性实现的保有量份额，这一法案的实施迫使各汽车厂家竟相推出最新的电动汽 车。表1 1 列出了国外主要电动汽车性能比较【1 0 】l l l 】。 表1 一l 国外主要电动汽车性能比较 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1 1 2 1 。 长春一汽集团正在研发“解放牌”混合动力城市客车和“红旗牌”混合动力轿车， 其中混合动力客车项目属于国家“8 6 3 ”项目；天津一汽承担的国家“8 6 3 ”项目 “夏利纯电动轿车”已经通过验收；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国家“8 6 3 ”电动汽车重大专项燃料电浊 轿车项目，已经研制出春晖一号、超越一号两款燃料电池轿车的样车；东风汽车公司 1 9 9 6 年就推出电动汽车样车，最近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 2 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 暑詈曼皇| 皇罾曼鼍曼! 曼曼量蔓曼舅鼍兰量量曼皇曼篁qu i l l 曾邕曼曼皇曼皇! 曼曼寰曼舅曼! 曼自皇曼寰曼笪曼曼曼皇皇皇! 量 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嘲f 1 2 j 。 1 3 电动汽车用电机马区动系统 1 3 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、机械减速、传动装最和车轮等 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转矩和转速，再通过机械传动 装置驱动车轮。 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 13 j u 4 】。电动 汽车的电机驱动系统是能萋存储系统与车轮之间的纽带，其作用楚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 阻力和爬坡阻力，制动时将动e b 转换为电能回馈给能量存储系统。 1 3 2 电动汽车对驱动系统的要求 电动汽车电机驱动系统除了具有普通电气传动的共性外，还应满足电动汽车的特殊 要求。电动汽车的核心是要用电气传动系统取代机械传动系统、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 电动汽车对其电机驱动系统有以下几方面的要求【1 5 】【峒： ( 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自够高速行驶的要求； ( 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。 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 3 电动汽车动力驱动系统的现状 电动汽车动力驱动系统分为交流( a c ) 驱动系统和直流( d c ) 驱动系统，交流驱 动系统包括感应电动机( i m ) 驱动系统、永磁同步电机( p m s m ) 驱动系统和开关磁 阻电机( s r m d ) 驱动系统。当前商业化电动汽车中应用的动力驱动系统有三类：直流 驱动系统、感应电机驱动系统和永磁同步电机驱动系统。 直流电机调速方便，控制器结构简单，改变其电压或者电流就可使其转矩实现独立 控制，实现平滑调速，因此，直流电机具有良好的调速特性和动态特性，并且成本最 低、技术成熟。早期的电动汽车均采用直流电机，但是直流电机功率重量比低、价格 贵、体积大、电刷与机械换向器的存在限制了其过载能力与速度，因此，交流电机逐渐 取代直流电机应用于电动汽车上“。 随着电力、电予器件的发展，感应电动机的特性己与直流电机相当，就电动机本身 而言，感应电动机具有效率高、结构简单、免维护、体积小、寿命长等优点，还能有效 地实现再生制动，因此，感应电动机驱动系统在电动汽车驱动系统中具有重要的位置。 感应电动机驱动系统是一种强耦合、非线性、多变量的系统，它需要复杂的控制规则和 快速的信号处理技术。目前，感应电动机的主要控制技术有变频变压控制( 、厂、，、，f ) 技 术、矢量控制( f o c ) 技术和直接转矩控制( d t c ) 技术【。 变频变压控制技术【1 明是通过协调控制电机电压和供电频率来调节电机转速，以满 足负载要求。利用功率半导体器件构成的脉宽调制( p m w ) 电源变换器把供电电源的 直流电变为频率和幅值可调的交流电，基频以下的用变压恒频控制，基频以上的用变频 恒压控制，实现感应电机的变频调速。但是，变频变压控制性能较差，有气隙磁通偏移 和延时响应等缺点，一般难以满足高性能电动汽车的驱动要求。 矢量控制技术通过引入与转子绕组交链的转子磁通来建立电机模型。在以产生等效 的旋转磁场的原则下，通过坐标变换方法把感应电机的定子电流分解为以转子磁场定向 的定子磁场电流分量和与之正交的定子转矩电流分量，对两个分量进行分别控制，获得 与直流电机调速系统相当的系统动态特性。矢量控制技术以转子磁场定向，采用磁场定 向矢量变换方法，实现了对感应电机转速和磁链控制的完全解偶，是感应电机驱动控制 的首选方案。但矢量控制技术仍存在许多使控制系统性能变差的缺点：系统特性受电机 参数影响较大、坐标变换比较复杂、转子时间常数随工作温度和磁魄和度的变化而发生 很大的变化等等，这些都是矢量控制技术需要解决的问题。 直接转矩控制技术凹】是德国学者d e p e n d r o c k 于8 0 年代中期提出的一种交流调速控 制系统。它的主要原理是根据磁通、转矩的状态选择逆变器开关状态，优化电压向量， 把磁通和转矩控制在一定的容差范围内，从而达到对磁通和转矩直接控制的目的。该控 制方法具有控制原理简单、转矩动态响应快、需要的传感器少等特点，但是现在大多数 山东理工大学硕士学位论文第一荤绪论 文献都假设电动机的定子电阻值保持不变，实际上当电动机运行一段时间后，电阻的变 化使得定子磁通的估计不准确，导致转矩控制出现较大的脉动。 永磁同步电动机是当前电动汽车用电动机研发的热点。它具有较高的鲁棒性，电机 气隙较小使其具有较强的电枢反应，可以控制电机在恒转速和弱磁恒功率区高速运行， 这正是电动汽车驱动系统所需要的。其控制技术与感应电机驱动系统相似，为了获得较 高的系统效率和控制特性，也可将两种或多种控制方案相结合。 开关磁阻电机1 2 1 】是由磁阻电机和开关电路控制器组成的机电一体化的新型调速电 机，具有较高的功率密度和转矩惯量比。其系统可控参数多，具有较宽的调速范围和高 度的非线性。开关磁阻电机在最大转矩区、恒功率区和高速运行区分别采用电流斩波控 制、角度控制和调压控制，便可满足作为电动汽车起步、加速、负荷等不同工况的要 求。 1 4 论文的主要工作 本课题来源于山东省自然科学基金资助项目( 2 0 0 4 z x l 9 ) 。 本文基于异步电动机矢量控制原理，提出了一种电动汽车异步电动机驱动系统的模 糊p i d 控制策略，设计了以转子磁场定向的异步电动机模糊矢量控制系统。本文主要 进行了以下工作： ( 1 ) 在对异步电动机矢量控制原理深入研究的基础上，设计了以转子磁场定向的 带转矩内环的转速、转子磁链闭环的矢囊控制系统； ( 2 ) 针对矢量控制中转速、转矩等控制器参数固定引起的系统性能变差的问题， 设计了模糊p i d 控制器，p i d 控制器参数实现在线整定，从而使系统获得良好的控制性 能； ( 3 ) 用m a t l a b s i m l i n k 建立电动汽车模糊矢量控制系统的仿真模型，并对模型进 行仿真分析； ( 4 ) 以n 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 作为核心控制芯片，设计电动汽车异步 电动机矢量控制实验平台，并详细介绍其软件和硬件设计。 第二章异步电动机矢量控制系统 2 1 矢量控制的基本概念 2 1 1 矢量控制简述 2 0 世纪6 0 年代，微电子技术的迅速发展和快速电力半导体变流装置的研制成功给 矢最控制的研究奠定了坚实的物质基础。 2 0 世纪7 0 年代，德国西门子公司的f b l a s c h k e 等提出的“感应电机磁场定向的控 制原理”和美国的p c ，c u s l m a n 与aac l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标 变换控制”，奠定了矢量控制的基础吲。它的基本出发点是通过坐标变换将定子电流 分解为励磁电流分量和与之正交的转矩电流分量两个标量，通过坐标变换重建的异步电 动机就可以等效为赢流电动机，趴而可像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。 在这之后的实践巾，经过许多学者和工程技术人员的不断完善和改进，终于形成了 现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。 其后，随着现代控制理论、微处理技术、电力电子技术的不断发展与应用，矢量控 制的交流传动系统已经进入了伺服控制的高精度领域。 2 i 2 矢量控制的基本原理 作为动力设备的任何电动机，都要服从基；奉= 的运动方程式 t l ：丝 ( 2 1 ) n 口d i 式中，t 为电磁转矩；正为负载转矩；j 为转动惯量；n 。为极对数；m 为转子角速 度。 由式( 2 1 ) 可以看出，电动机的控制反映在对转子角加速度d o , d r 的控制上，实 际上是对动态转矩t 一耳的控制，通常负载转矩t 变化规律已知，所以就反映为对电 动机电磁转矩的瞬时控制嘲。 矢量变换控制的设计思想是设法模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控 制。直流电动机调速性能好的根本原因就在于它的转矩控制容易。直流电动机转矩表达 为t = 巳叫。，其中电枢电流l 和磁通。两个参数互相成9 0 。正交关系，且为两个独 立变量，可分别进行调节，在电路上互不影响。而异步电动机的转矩表达式为 立变量，可分别进行调节，在电路上互不影响。而异步电动机的转矩表达式为 山东理工大学硕士学位论文第二章异步电动机矢量控削系统 第二章异步电动机矢量控制系统 2 1 矢量控制的基本概念 2 1 1 矢量控制简述 2 0 世纪6 0 年代，微电子技术的迅速发展和快速电力半导体变流装置的研制成功给 矢量控制的研究奠定了坚实的物质基础。 2 0 世纪7 0 年代，德国西门子公司的f b l a s c h k e 等提出的“感应电机磁场定向的控 制原理”和美国的p c ，c u s l m a n 与a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标 变换控制”，奠定了矢量控制的基础吲。它的基本出发点是通过坐标变换将定子电流 分解为励磁电流分量和与之正交的转矩电流分量两个标量，通过坐标变换重建的异步电 动机就可以等效为赢流电动机，从而可像直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制。 在这之后的实践中，经过许多学者和工程技术人员的不断完善和改进，终于形成了 现己得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。 其后，随着现代控制理论、微处理技术、电力电子技术的不断发展与应用，矢量控 制的交流传动系统已经进入了伺服控制的高精度领域。 2 1 2 矢量控制的基本原理 作为动力设备的任何电动机，都要服从基本的运动方程式 t 一瓦2 丢等 泣。 式中，为电磁转矩；疋为负载转矩；j 为转动惯量；丹，为极对数；为转子角速 度。 由式( 2 1 ) 可以看出，电动机的控制反映在对转子角加速度d o a t 的控制上，实 际上是对动态转矩t 一疋的控制，通常负载转矩瓦变化规律已知，所以就反映为对电 动机电磁转矩的瞬时控制嘲。 矢量变换控制的设计思想是设法模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控 制。直流电动机调速性能好的根本原因就在于它的转矩控制容易。直流电动机转矩表达 为t = c 0 叫。，其中电枢电流l 和磁通中两个参数互相成9 0 。正交关系，且为两个独 立变量，可分别进行调节，在电路上互不影响。而异步电动机的转矩表达式为 6 山东理工大学缺士学位论文 第二章异步电动机矢量控制系统 正= c o 。，：c o s 妒2 ，异步电动机的转子电流，：和气隙磁通m ，有关且与转速有关，和 中，两个参数不成直角又不是两个独立变量，转矩的这种复杂关系成为异步电动机难于 控制的根本原因。如果把异步电动机的定子电流，分解成磁场定向坐标的励磁电流分 量i 。和与之垂直的转矩电流分量i ，在调速过程中始终维持定子电流的励磁电流分量 i ，不变，通过控制转矩电流分量来控制电机的转矩，能使异步电动机具有直流电动 机的调速性能。 根据旋转磁场等效的原则，一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系 统，通过两相交流系统作为过渡，可以互相进行等效变换。所以，如果将用于控制交流 调速的给定信号变换成类似于直流电动机磁场的控制信号，也就是说，假设由两个互相 垂直的直流绕组同处于个旋转体上，两个绕组中分别独立的通入由给定信号分解而得 的励磁电流信号0 和转矩电流信号i ，并把0 和i ，作为基本控制信号，通过等效变 换，可以得到与基本控制信号i ，和i ，等效的三相交流控制信号f 。、i 日和i ，用它们去 控制逆变器。同样，对于电动机运行过程中系统的三相交流数据，又可以等效变换成两 个互相垂直的直流信号，反馈到控制端，用来修正基本控制信号f 。，和i ，。这样，在进 行控制时，就可以和直流电动机一样，使其中一个磁场电流不变，而控制另一个磁场电 流，从而，获得和直流电动机类似的控制效果。 矢量控制的基本原理口4 】如图2 1 所示。给定信号分解为两个互相垂直而且独立的直 流信号f 。和f ，然后通过“直交变换”变换成两个交流信号和f 。，又经过“2 3 变 换”得到三相交流的控制信号j 、f 。和i ，来控制逆变电路：电流反馈信号经“3 2 变 换”和“交直变换”传送到控制端，对直流控制信号进行修正，从而模拟出类似直流 电动枫的工作状况。 图2 - 1 矢量控制原理框图 山东理工丈学硕士学位论文 第二章异步电动机矢量控制系统 2 2 矢量坐标变换 2 2 1 异步电动机的三种坐标系 异步电动机在矢量控制中常用到三种坐标系【2 5 l ：三相静止坐标系a b 。c 、两相静 止坐标系口。和同步旋转坐标系m _ t ，如图2 2 所示。 三相异步电动机有三耜绕组，其轴线分别为a 、b 、c ，彼此相差1 2 0 0 ，这样便构 成了一个三相静止坐标系a b - c ；两相静止坐标系t 2 ，它的口轴与a 轴重合，芦轴 超前口轴9 0 0 ，这两个坐标系在空间固定不变，为静止坐标系。同步旋转坐标系m - t 的m ( m a g n 妇6 0 n ) 轴固定在磁链矢量上，t ( t o t q u e ) 轴超前m 轴9 0 。，坐标系和 磁链矢量一起在空间以同步角速度国。旋转。 2 2 2 矢量坐标变换的原则 图2 - 2 异步电动机的三种坐标系 异步电动机数学模型中的电流、电压和阻抗等矢量进行坐标变换时必须遵循以下的 基本变换原则。 ( 1 ) 电流变换矩阵应遵守变换前后所产生的旋转磁场等效原则 异步电动机是机电能量转换装置，气隙磁场是机电能量转换的枢纽。气隙磁场是由 气隙合成磁势决定的，而合成磁势是由各绕组中的电流决定的，因此，只有遵守变换前 后气隙中旋转磁场相同，电流变换方程才能成立。 ( 2 ) 电压变换矩阵和阻抗变换矩阵应遵循变换前后异步电动机功率不变的原则 只要遵守变换前后异步电动机功率不变原则，电流变换矩阵、阻抗变换矩阵和电压 变换矩阵之间必然存在确定的关系，这样就可以由电流变换矩阵求得电压变换矩阵和阻 抗变换矩阵。 2 2 3 三相两相变换 三相，两相变换( c l a r k e 变换) 是从三相静止坐标系a b c 变换到两相静止坐标系 口口，其中口轴和a 轴重合。根据坐标变换原则，可确定电流变换矩阵为 = 店 ： 式中，f 。、i 口分别为电流在口一坐标系中a 轴和卢轴的分量；f 。、i 。、i c 分别为电流 在a 出坐标系中a 轴、b 轴和c 轴的分量。 两相，三相变换矩阵为 ( 2 3 ) 对于三相y 型不带零线的接线方式的异步电动机有+ i 。+ f c = 0 ，即， i 。= - i 。- i 日，则三相俩相变换矩阵为 阡 两相，三相变换矩阵为 2 2 4 旋转变换 压 压 2 弱z ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 旋转变换( p a r k 变换) 是从两相静止坐标系口一声变换到两相旋转坐标系m t ，其 中m 轴与口轴的夹角为妒。根据坐标变换原则，可确定电流变换矩阵为 卧窿捌豳 c 9 ”弦 们纠 kiioii且 ：堕： 朝钊 、旷00000lj。鱼：笪：。一2，： 压怄 = j 日 c n 一 一 8 一n o 压 式中，i u 、i ，分别为电流在m - t 坐标系中m 轴和t 轴的分量。 其逆变换矩阵为 卧卜ic o 唧s p 咖s i n ( 眦o l i 。u 沼， 2 2 5 直角坐标极坐标变换 直角坐标和极坐标之间的关系为 ( 2 8 ) t a n o ：= 旦 ( 2 9 ) l s t , , , s 式中，f ，为定子电流；o 、i , r 分别为定子电流在m 轴和t 轴上的分量；酿为m 轴与 定子电流矢量f ，之间的夹角。 见取不同值时，l t a n 吼l = o 。，难以应用，因此常用下列方式表示馥值， 对于g ，s i n o 5 胬，c o s 以2 街 所以 t a i l 生：塑堡：l ( 2 1 0 ) 2 1 - i - c o s 口s+ o 根据式( 2 8 ) 和式( 2 1 0 ) 可以进行矢量直角坐栅坐标变换。 2 3 异步电动机在两相静止坐标系中的数学模型 在本文的异步电动机模型中作如下理想化假设削： ( 1 ) 忽略空间谐波，异步电动机三相定转子绕组完全对称： ( 2 ) 定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律 分布； ( 3 ) 忽略磁路饱和，忽略铁芯损耗，定转子的各相自感和互感都是线性的； ( 4 ) 忽略磁滞及涡流等因素的影响，不计异步电动机铁心和导线的集肤效应。 根据以上的假设，建立异步电动机在两相静止坐标系口中的电压方程为 兰王翌坚2 兰! 堡主兰垒丝苎第二章异步电动机矢量控制系统 “，a r 。+ l , p 0 三。p 0 “姐 u ，口 “坩 0 r 。+ ；p 0 。p l 。p，r ，+ 三，pl r 一，珊l 。p一，r ，十三，p拦 ( 2 1 1 ) 式中，“m 、分别为定子口轴的电压和电流；“，。、i ，。分别为定子卢轴的电压和电 流；“，。、i ，。分别为转予口轴的电压和电流；“。、i 租分别为转子卢轴的电压和电流： r 。、三；分别为定子的电阻和电感；r ，、三，分别为折算到定子边的转子的电阻和电 j 感；l 。为定转子之间的互感；p = ；为微分算子。 m 笼鼠型异步电动机的转子是短路的，所以有“，。= “。= 0 ，这样，异步电动机在两 相静止坐标系中的电压方程为 u s a ”啦 0 0 r 。+ 。p 0 l m p 0 1i ，。 0 疋+ l ，p 0 o p ；l 如 三。pl m c o r ，+ l ，p，缈l i ，。 一上。国。pl or ，+ t p i 哆 电磁转矩方程为 t = 瓦+ 丢n 粤a t 码l 匕。k 钿) p 2 4 异步电动机在同步旋转坐标系中的数学模型 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 同步旋转坐标系旋转角速度为，m 轴与口轴夹角为败= o j 。f + 。则利用矢量 旋转变换，建立异步电动机在同步旋转坐标系中的电压方程为 “ 甜j r 0 o r 。+ l s p m s l 5 l 。p a e o l 。 一国。l 。 r ，+ l ，p a c o l m l 。p 三，p m s l 。 r ，+ 工，p a c o l ， ( 2 1 4 ) 式中，“。、o 分别为定予m 轴的电篮和电流：”，、i ，分别为定子t 轴的电压和电 流； o 、i r ，分别为转子在m 轴和t 轴的电流；a o s = 峨一曲为转差角频率。 磁链方程为 妒w y s r 缈 妒，t l s 0 l 。 0 l ，0 o 0 工， 0 l m 0 ( 2 1 5 ) 式中，。、_ ；f ，分别为定子磁链在m 轴和t 轴上的分量；妒。、妒，分别为转子磁链 ho，啊矿iioiiii且 咀啪城耳 谢 打 w 一 l 丌ooooiiji业 o 0 o 0 在m 轴和t 轴上的分量。 电磁转矩方程为 t = h 。o ( f ，i 。一f 。f ，) ( 2 1 6 ) 2 5 按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统 按转子磁场定向就是按转子磁链”定向，m 轴与转予磁链矿，轴重合嗣，如图2 - 3 所示。 p 圈2 - 3 转子磁场定向 2 5 1 按转子磁场定向的异步电动机数学模型 由图2 - 3 可以看出，m 轴与”轴重合，则”在t 轴上的分量为零，表明转子磁链 悱唯的由m 轴绕组中的电流产生，所以定子电流矢量f ，在m 轴上的分量。是励磁 电流分量。m - t 坐标系中的转子磁链为 4 2 矿尸 ，+ 支o ( 2 1 7 ) 【d = 0 = k 0 + 三，0 一 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 - 1 4 ) 就可得以转子磁场定向异步电动机电压方程 一印。， r 。+ l 。p o o 上。p 国，三。 r ，+ 三，p a c o l ， 一，三。 l 。p 0 震 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 6 ) ，就可得到以转子磁场定向异步电动机转矩方程 t = n p l 。( ；r i w - i w 0 ) k 一丝车如 l “ ：”，孕。 l ， ( 2 1 8 ) ( 每) 协 2 洲 盯 耐 一亿一盯 “吼钿嘁 村 盯 一一 r f 。l m e p 阼 f f 山东理_ i = 大学硕士学位论文 第二章异步电动机矢量控制系统 _ i ii皇皇量e!曼置蔓舅薯 2 5 2 按转子磁场定向的异步电动机矢量控制系统的控制方程式 。一警( 2 - 2 0 ) 将式( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 7 ) ，可得 ”= 嘉。 c z 驯， 式中，r = i l r ，表示转子电路的时间常数。 由式( 2 1 8 ) 第四行可得 。= 一 a o _ g s , ( 2 2 2 ) 将式( 2 - 2 2 ) 代入式( 2 1 7 ) ，可得 o ：警砌 ( 2 2 3 ) 厶m t 码抄。 妒，= 南。 c z 埘) 驴等幻 由控制方程式可以看出，保持转子磁链悱恒定，调节定子转矩电流分量f 。，就可调 节异步电动机电磁转矩t ；转子磁链少，唯一的由定子励磁电流分量i 。产生与定子转矩 电流分量f 。，无关，充分说明了异步电动机按转子磁场定向矢量控制系统可以实现定子 励磁电流和定子转矩电流的完全解耦，并且转予磁链，和定子励磁电流分量f 。之间的 传递函数为一阶惯性环节：当转予磁链n 恒定，转差角频率与异步电动机的定子转矩 电流分量f 。，成正比。根据式( 2 2 4 ) 矢量控制基本方程式，异步电动机数学模型f 2 8 j 如 图2 4 所示，三相定子电流i 、和七经过三相两相、旋转变换将定子电流解耦成k 和i 由f 。和f ，可得转予磁链i j f ，和转予角频率t o 。由图2 4 可以看出，由于电磁转 矩t 同时受到f 。，和，的影响，系统仍存在着耦合。 山东理工大学硕士学位论文 第二章异步电动机矢量控制系统 图2 4 异步电动机矢量控制的解耦数学模型 2 ，5 3 带转矩内环的转速、转子磁链闭环矢量控制系统 带转矩内环的转速、转子磁链闭环的异步电动机矢量控制系统p j l 3 w 川如图2 - 5 所 示。该系统给定量为电动机转速国和转子磁链：，控制系统采用转速、转子磁链闭环 控制，其中，转速控制子系统采用了与直流调速类似的串级控制结构，增加了转矩闭环 作为转速的内环。由图2 - 4 可知同时受到f 。和y ，的影响，磁链子系统和转速子系统 之间存在着耦合，设置转矩闭环的目的是降低和消除转速子系统和磁链子系统之间的惯 性耦合作用，双闭环系统中的内环可以抑制内环所包围的前进通道上的扰动，磁链发生 变化时，相当于对内环的一种扰动作用，必然受到转矩闭环的抑制，从而减少由于磁链 变化对转速子系统的影响，实现了转速子系统和磁链子系统的近似解耦。 图2 5 带转矩内环的转速、转子磁链闭环的异步电动机矢量控制系统 2 6 转子磁链观测器 矢量控制系统中需要对转子磁链进行检测，检测出转子磁链瞬时的幅值和相位。转 子磁链的检测有直接和闻接两种方式【3 2 】。 直接法就是在电机定子内表面装贴霍尔元件或在电机槽内埋设探测线圈直接检测转 1 4 山东理工大学硕士学位论文第二覃异步电动机矢量控制系统 子磁链。这种方法虽然检测精度高，但是，在电机内部装设元件会遇到工艺和技术上的 问题，而且，受磁槽的影响会使检测信号含有大量的脉冲分量，电机的线速度越低越 严重，所以，实际应用的矢量控制系统已不采用直接法。 间接法就是检测电机的定子电压、电流以及转速等容易测量的物理量，建立转子磁 量观测模型 3 3 1 实时计算转子磁链的幅值和相位。本文按转子磁场定向两相旋转坐标系 上的转子磁链观测器来计算转子磁链的幅值和相位，如图2 - 6 所示。 三相定子电流f 。、i 。、i ，经过3 2 变换，得到口两相静止坐标系上的电流i 。、 f 。，再经过同步旋转变换，得到m t 旋转坐标系上的电流f 。、，根据式( 2 2 4 ) 得到转子磁链p ，和转差角频率a o ，将功和转子角颓率相加，得到定子同步角频率 出。，再将珊，进行积分处理，就可得到转子磁链的瞬时相位伊，缈也即是同步旋转变换 的旋转相位角。 2 7s v p w m 技术 图2 - 6m t 坐标系上的转子磁链观测器 脉宽调制( p w m ) 技术在变频器中已经得到了广泛的应用，其中，经典的正弦波 脉宽调制( s p w m ) 主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近于正弦波。异步电机需要输 入三相正弦电流的主要目的是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。对 准这一目标，把逆变器和异步电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制p w m 电 压，使得磁链的轨迹靠电压空间矢量相加得到，由此产生了电压空间矢量脉宽调制 ( s v p w m ) 技术【3 3 】鲫口5 1 。它能明显减少逆交器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损 耗，降低了转矩的脉动，而且控制方法简单，方便实现数字化。 当用三相平衡的正弦电压向异步电动机供电时，电动机的定子磁链空间矢量幅值恒 定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨涟形成隧形的空间旋转磁场。 当异步电动机转速不是很低时，定子电阻压降相对较小，可以忽略，电压与磁链有 如下的关系式： 山东理工大学硕士学位论文 第二章异步电动机矢量控制系统 “。譬：塑尝：，叱：峨一) ( 2 - 2 5 ) “l “l 由式( 2 2 5 )