（检测技术与自动化装置专业论文）汽车isg用永磁同步电机控制技术研究.pdf

j j - 电 _ 独创性声明 、瓣 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，也不包含为获得北京工业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。 签名： 到! 丛 日期：压 ! 。z 殳 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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；学校可以公布论文的全部或部 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： 三蝉： 导师签名： 期： 参 - 摘要 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼量! 曼苎曼曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼苎曼曼鼍曼曼曼曼i i i i 鼍蔓! 曼曼曼曼皇曼蔓曼皇曼鼍曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼! 曼曼皇皇菖鼍皇 摘要 集成起动发电系统( i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ，简称i s g ) 将汽车发动机 上传统的起动机和发电机功能整合成一体，同时具有电动和发电两种功能，能 够有效降低发动机排放、节约燃油并提高汽车电源容量。 本论文针对汽车i s g 系统用永磁同步电机进行其控制技术研究，内容如下： 首先，分析了永磁同步电机在d q 坐标系下的数学模型，对永磁同步电机 的矢量控制原理进行了阐述，并基于m a t l a b s i m u l i n k 对永磁同步电机矢量控制 系统进行建模仿真。 其次，研究i s g 系统的直接转矩控制方法。阐述直接转矩控制的永磁同步 电机i s g 系统的电动和发电控制策略，提出弱磁稳压发电的磁链和转矩控制方 法，并基于m a t l a b s i m u l i n k 进行建模仿真验证。 再次，分析定子磁链旋转坐标系下的电压矢量作用效果，提出永磁同步电 机直接转矩控制的改进方法，该方法是利用误差来预测电压矢量结合空间电压 矢量调制，来补偿磁链和转矩的控制误差。 最后，进行了直接转矩控制方法的实验验证。基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信 号处理器设计了电机实验平台，给出了系统的软、硬件和实验方案，并进行了 电动和发电实验。 论文研究结果表明：针对应用于i s g 的永磁同步电机，矢量控制需要繁杂 的坐标变化和精确的转子实时位置检测，控制系统结构复杂，动态转矩响应速 度仍有待提高；直接转矩控制系统结构简单、动态响应快、不需要转子位置的 实时检测，但是磁链和转矩脉动较大，影响系统发电性能；提出的改进型直接 转矩控制能够固定功率器件的开关频率，充分利用功率器件的容量，有效减少 系统的磁链和转矩的脉动，可以应用于i s g 系统。 关键词集成起动发电机：永磁同步电机；直接转矩控制 北京t 业大学工学硕十学位论文 - i i ， 上 a b s t r a c t 曼曼皇! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇ii 量曼皇置皇曼蔓! 曼! 曼皇曼曼 a b s t r a c t i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ( i s g ) i sam a c h i n ei n s t e a do ft h ec o n v e n t i o n a l s t a r t e ra n dg e n e r a t o r , w h i c hi n t e g r a t e dt h es t a r t i n ga n dg e n e r a t i o nf u n c t i o n ，a n dc a n r e d u c ee m i s s i o n s ，s a v ef u e la n di m p r o v et h ep o w e rs u p p l yo fv e h i c l e 砸sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nc o n t r o lt e c h n i q u eo fp m s m ( p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm a c h i n e ) f o ra u t o m o t i v ei s g ，w h i c hc a nb ed i v i d e di n t ot h o s e s e c t i o n s ： a tf i r s t ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mu n d e rr o t o rr o t a t i o nc o o r d i n a t e f r a m ei sa n a l y s e d ，t h e nt h ep r i n c i p l eo fp m s mv c ( v e c t o rc o n t r 0 1 ) i si n t r o d u c e d i sm o r e ，p m s mv cm o d e li se s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e db a s e do n m a t l a b s i m u l i n k s e c o n d l y ，d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) i ni s gi sa n a l y z e d m o t o ra n d g e n e r a t i o n c o n t r o lt h e o r yi s p r o p o s e d , i n c l u d i n gt h ec o n t r o lo ff l u xl i n k a g e a m p l i t u d ea n dt o r q u ei nr e g i o no ff l u x - w e a k e n i n gg e n e r a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h e t h e o r yi sp r o v e db ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n t h i r d l y ，t h er o l eo fv o l t a g ev e c t o ru n d e rs t a t o rf l u xl i n k a g er a t a t i o nc o o r d i n a t e i sa n a l y z e d t h e nam o d i f i e dd t cf o rp m s mi sp r o p o s e d , a tl a s t , t h ep r e s e n t e dd t cu s e di ni s gi sv e r i f i e de x p e r i m e n t a l l y t h e e x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e do nt h ed s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i s d e s i g n e d ，w h a ti sm o r e ，t h es o f t w a r e ，h a r d w a r ea n de x p e r i m e n t a ls t r a t e g i e sa l ea l s o p r o v i d e d m o r e o v e r ，m o t o ra n dg e n e r a t i o ne x p e r i m e n ti sc o m p l e t e d 殛ec o n c l u s i o n sa b o u tt h er e s e a r c hc a l lb ed r a w na sf o l l o w s ：p m s mv e c t o r c o n t r o lr e q u i r e sc o m p l e xc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o na n dr e a l t i m er o t o rp o s i t i o n d e t e c t i o n ，b e s i d e si t ss t r u c t u r ei sc o m p l e xa n dd y n a m i cr e s p o n s es h o u l db ei m p r o v e d i nf u t u r e h o w e v e r ，t h ec o n v e n t i o n a ld t ch a ss i m p l ys t r u c t u r e ，g o o dd y n a m i c r e s p o n s ea n dd on o tn e e dr e a l - t i m er o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n , b u th a sl a r g ef l u x l i n k a g ea n dt o r q u er i p p l e w h e r e a st h ep r o p o s e dm o d i f i e dd t cc a nm a k et h e i n v e r t e rs w i t c h i n gf r e q u e n c yf i x e da n dt h et o r q u ea n df l u xl i n k a g er i p p l er e d u c e s i g n i f i c a n t l y s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a tt h em o d i f i e dd t cc a nb e u s e di ni s g k e yw o r d ：i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e ， d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 i 北京工业大学工学硕上学位论文 i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 1 1 汽车工业面临的挑战与机遇：1 1 1 2i s g 系统组成及功能l 1 1 3i s g 系统的研究意义3 1 2i s g 的国内外发展现状3 1 3i s g 技术概述5 1 3 1 电机选型5 1 3 2i s g 用永磁同步电机系统的技术难点6 1 4 永磁同步电机的控制技术一7 1 4 1 永磁同步电机的矢量控制7 1 4 2 永磁同步电机的直接转矩控制。7 1 4 3 永磁同步电机直接转矩控制的研究热点8 1 5 课题的主要研究内容1 l 第2 章永磁同步电机及其矢量控制1 3 2 1 永磁同步电动机的数学模型1 3 2 1 1 坐标系1 3 2 1 2d - q 坐标系下的永磁同步电机数学模型1 5 2 1 3 永磁同步电机的参数测量1 6 2 2 永磁同步电机的矢量控制方法1 7 2 2 1 矢量控制基本原理1 7 2 2 2 空间电压矢量原理18 2 2 3 永磁同步电机矢量控制策略2 0 2 2 4 永磁同步电机矢量控制系统2 l 2 3 永磁同步电机矢量控制系统仿真2 2 2 4 本章小结2 4 第3 章i s g 用永磁同步电机直接转矩控制2 5 3 1 永磁同步电机d t c 系统基本结构。2 5 3 2 定子磁链及电磁转矩估算2 6 北京t 业大学工学硕士学位论文 3 3 磁链分区及开关表的确定2 7 3 3 1 磁链分区的选择及实现2 8 3 3 2 开关表的确定。3 2 3 4 定子磁链幅值及负载角的限制3 3 3 4 1 定子磁链幅值给定。3 3 3 4 2 转矩负载角限制。3 3 3 5i s g 电动运行的d t c 方法。3 4 3 6i s g 发电运行的d t c 方法3 5 3 6 1 发电运行的d t c 原理3 5 3 6 2 发电运行的磁链幅值和转矩给定3 6 3 7i s gd t c 系统仿真3 8 3 7 1i s gd t c 系统电动运行仿真3 8 3 7 2i s gd t c 系统发电运行仿真4 0 3 8 本章小结4 2 第4 章i s g 用永磁同步电机直接转矩控制的改进4 5 4 1 改进的d t c 方法4 5 4 1 1 定子磁链旋转坐标系下的电压矢量分析4 5 4 1 2 永磁同步电机改进型d t c 4 8 4 2 改进型d t c 的仿真验证4 9 4 2 1 电动运行仿真4 9 4 2 2 发电运行仿真5l 4 3 本章小结5 4 第5 章i s g 用永磁同步电机直接转矩控制实验。5 5 5 1 系统总体设计方案5 5 5 2 硬件电路设计，5 7 5 2 1 电流、电压检测5 9 5 2 2 电源模块6 0 5 2 3 主电路和驱动模块6 0 5 3 软件设计6 1 5 3 1 软件总体设计6 1 5 3 2 软件子模块设计 5 4 电动和发电实验 5 4 1 电动实验 5 4 2 发电实验 5 5 本章小结 目录 结论7 3 参考文献一7 5 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 9 致谢8 7 北京t 业大学工学硕十学位论文 v i i i 传统汽车工业在促进世界经济发展和为人类带来便利的同时，也加剧了日 益严重的能源和环保问题，这是目前汽车工业发展遇到的巨大挑战，为此，开 发新一代的清洁节能型汽车成为必然趋判到。 对于中国汽车来说，投入新能源汽车革命不仅仅是为了节油，还能利用新 能源革命而迅速拉近与国际汽车水平的距离，实现跨越式发展。因此，新能源 对于中国汽车也是一次机遇与挑战【3 j 。 中国政府从2 0 0 0 年开始就规划了重大科技专项来推动电动汽车的发展，主 要是混合动力、纯电动以及燃料电池汽车三个领域。这三种汽车都是未来发展 的重要方向，同时关键的零部件，都有了比较好的布局，并且形成了一定产业 化的能力例。 预计到2 0 1 2 年之前将有超过6 万辆各种类型的新能源汽车投入使用。按照 现在产业规模的数据和投资情况来看，我国将在2 0 1 0 年到2 0 1 2 年之间，形成 每年为十万辆电动汽车配套的锂离子电池和驱动电机的能力【4 】。 目前我国新能源汽车产业已经形成了混合动力、纯电动和燃料电池三类新 能源汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系。据了解，目前我国已经有 近1 0 款新能源汽车拿到了“准生证”，一批新能源汽车包括“零排放”纯电动 汽车将陆续上市p j 。 在新形势下，加快节能与新能源汽车的研发和产业化，是应对能源环保压 力，在新一轮国际汽车产业格局调整过程中抢占先机，形成新的竞争优势，推 动我国汽车工业持续健康发展的关键举措。 简称i s g ) 将汽车发动机 北京t 业大学工学硕卜学位论文 上传统的起动机和发电机功能整合成一体，由电机、控制器、功率变换器、储 能单元( 蓄电池等) 组成，结构框图如图1 1 所示。 图l - 1i s g 系统框图 f i g 1 1b l o c kd i a g r a m o fl s g s y s t e m i s g 电机与发动机连接方式通常有两种：一种是电机通过传动带或齿轮与 发动机相连，此种连接方式结构简单，勿需改动传统汽车本身的机械传动结构， 适用于小功率i s g 系统；另一种是直接将电机连接到发动机曲轴上替代飞轮， 传动效率高，但需要对发动机传统传动系统进行改进，适用大功率i s g 系统。 目前，1 4 v 汽车发电机能提供的最大功率约为3 k w ，已经难以满足越来越 高的车载部件的功率需求【6 】。为解决这一问题，需采用更高功率、更高工作电 压的发电系统，考虑到安全、费用及其他相关因素，将汽车电压升级到4 2 v 可 以解决这一矛盾。4 2 v 电气系统已经得到国际汽车业界的认可，并在一些车辆 上得到应用，电源向4 2 v 转化已是汽车工业发展的必然趋势【6 】。 i s g 系统能够实现如下功能【7 l s g l ： ( 1 ) 发动机起动时，电机将发动机迅速( 0 4 s 以内) 拖动到点火转速以上， 该过程中，电能由蓄电池经功率变换器逆变供给电机；当发动机完成点火起动， 此时电机停止工作，发动机供油点火开始工作。 ( 2 ) 加速与爬坡时，车辆进入电机辅助动力模式，发动机和电机共同驱动 汽车，并根据此时发动机节气门和电池s o c ( s t a t eo f c h a r g e ，荷电状态) 来分 配电机提供辅助功率的大小。 ( 3 ) 巡航行驶工况下，发动机单独驱动车辆，当检测到电池s o c 过低时， 发动机拖动电机发电运行，电能通过功率变换器整流后给蓄电池充电，并给车 用负载供电。 ( 4 ) 减速与制动时，电机作为发电机运行实现制动能量回馈，并根据节气 第l 章绪论 ! i i mmml。 一, 1 1 1 i| i 皇曼曼皇皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼 门和制动踏板及电池s o c 状态，来确定电池的充电电流大小。 ( 5 ) 怠速停车时，发动机和电机自动停止运转。 1 1 3i s g 系统的研究意义 i s g 系统将起动与发电功能集于一体，结构相对简单，成本相对较低，主 要优点如下： ( 1 ) 电机一体化，提高了材料利用率以及发动机舱的可利用空间。 ( 2 ) 以大功率的集成一体化电机代替传统的小功率起动电机，可快速、低 噪声、低振动起动发动机，从而实现发动机的快速起停控制，提高起动过程的 燃油效率，降低起动过程的尾气排放。 ( 3 ) 一体化电机可作为大功率发电机发电，满足未来汽车中越来越多的用 电设备对电能的需求；并能在汽车制动、减速和下坡时回收部分机械能量，将 其转化成电能储存在蓄电池中，从而节省了大量的能源。 因此，i s g 系统的研究对于减少汽车尾气排放、节约燃油、满足未来大容 量电能需求具有重要意义。 1 2i s g 的国内外发展现状 2 0 世纪9 0 年代以来，在电机技术、电力电子技术、电机控制理论和数字 控制技术成熟的基础上，在各国争相研制电动汽车以节约能源，减少环境污染 的背景下，i s g 技术在世界范围内得到重点研究和快速应用。 德国零部件制造商大陆( c o n t i n e n t a l ) 公司下属的t o c h e r 公司首先开发出 了i s a d ( i n t e g r a t e ds t a t e ra l t e m a t o rd a r n e r ) 系统， 随后，博世、西门子、萨克斯、德尔福并于1 9 9 7 年装机试验，大陆公司因 此而获得1 9 9 7 年度工业革新奖，1 9 9 9 年在法兰克福国际展览会上，i s g 作为 汽车系统零部件首次亮相。和法雷奥等公司也开发出这种系统。其中博世公司 选用的是永磁同步电机，1 4 v 和4 2 v 混合电源系统，也采用曲轴直接传动方式， 工作效率在8 0 以上；萨克斯选用永磁同步电机，定子和定子支架直接安装在 发动机曲轴凸缘上，转子则固定在飞轮上，发电效率高达8 0 - - 一9 0 ；法雷奥 选用4 2 v 电源系统，采用皮带连接的间接传动方式的b i s g ( b e l t - d r i v e n i n t e g r a t e ds t a r t e dg e n e r a t o r ) ，与传统车相比，可节省2 0 的燃料，在3 0 的 停顿过程中实现“零”排放。 9 0 年代初，日本开始了大规模电动汽车开发，并且在2 0 世纪9 0 年代末将 混合电动汽车商业化，i s g 技术因而得到发展并应用到混合电动汽车上。1 9 9 7 年，t o y o t a 推出的应用了i s g 技术的t h si ( t o y o t ah y b r i ds y s t e m1 1 “p r i u s ”开 北京 二业大学工学硕十学位论文 始在日本批量销售；随后，t o y o t a 又推出了t h si i “0 3 p r i u s 、“r x 4 0 0 ”s u v 。 t o y o t a 的i s g 系统采用永磁电机，电机转子采用钕磁铁材料，直流母线电压达 6 5 0 v 。由于采用了高压技术，大大提高了输出功率和效率。 1 9 9 9 年，本田推出了应用了i s g 技术的i n s i g h t 第一代混合电动汽车。该 i s g 系统采用矩形波永磁电机，电源系统采用1 4 4 v 的蓄电池组，电机与发动 机曲轴直接连接，可产生与发动机相位相反的转矩，降低振动，使运转更平稳。 i s g 技术同样也应用到了本田的第2 代a c c o r d 、第3 代2 0 0 5 款c i v i c 和第4 代 2 0 0 6 款c i v i c 混合电动汽车上。在2 0 0 6 款混合电动车上，电动机使用了1 5 k w 的超薄型的永磁同步电机，该种电机采用最新的扁线圈缠绕构造，最大输出转 矩1 0 3 n r n ，这使得电动机最大功率和最大转矩与2 0 0 5 款c i v i c 相比分别增加 了5 0 和1 4 ，转换效率由原来的9 4 6 提高到9 6 1 1 0 l 【1 1 1 【1 2 】。 美国通用公司也推出自己的混合动力汽车，其中的弱混合动力系统的皮带 传动起动发电机( b i s g ) ，用于s a t u r n v u e ，已经于2 0 0 6 年投产。福特公司 2 0 0 6 年也推出自己的新款混合动力汽车f u t u r a 中型混合动力汽车。 在欧洲，各大汽车产商争相研制推出自己的混合动力汽车，如雷诺公司的 “k a n g o o ”、“n e x t ”，雪铁龙公司的“b e r l i n g od y n a v o l t ”，标致的“贝灵格、 “x s a r a ”，菲亚特的“m u l t i p l a ”，沃尔沃的“f l 6 ”、“e c c ”等。 我国也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，混合动力汽车在我国得 到蓬勃的发展，上世纪九十年代开始，国内的汽车企业及有关科研院所对混合 动力汽车的i s g 技术表示极大关注，国家科技部将其作为“十五 8 6 3 重大专 项的内容。东风、一汽、奇瑞、重庆长安、天津汽车研究中心、清华大学、上 海交通大学、吉林大学和中科院电工所、西北工业大学、南京航空航天大学等 企业和科研院所都在研究i s g 技术，已有部分混合动力汽车应用了i s g 技术， 如东风e q 7 2 0 0 h e v 、e q 6 1 1 0 0 h e v 、荣威7 5 0 、风神i s g 、杰勋、志翔、奇瑞 a 3 i s g 、风云2 b s g 、奇瑞b s g 、奇瑞a 5i s g 等。 东风e q 7 2 0 0 h e v 的i s g 系统采用皮带传动的3 k w 永磁无刷直流电机，额 定电压为4 2 v ，额定转速为3 0 0 0 r m i n ，额定转矩为5 2 n m ；上汽的i s g 采用 1 4 4 v 镍氢电池、皮带传动的1 3 k w 永磁同步电机，额定转矩4 2n m ：奇瑞i s g 系统采用皮带传动方式的1 0 k w 永磁同步电机，1 4 4 v 镍氢电池供电，与同排量 内燃机汽车相比，城市工况可提升1 0 - 1 5 左右的燃油效率，二氧化碳的排放 量减少1 2 左右i j 。 总体来讲，国内外目前应用与在研的车用i s g 系统中的电机多为永磁同步 电机，采用矢量控制方式，并且需要实时电机转子位置检测的传感器。 第l 章绪论 1 3i s g 技术概述 1 3 1 电机选型 i s g 系统要达到高性能并实现多种功能，对电机有以下要求： ( 1 ) 起动时转矩大，动态性能优越，这样能快速带动发动机起动： ( 2 ) 速度运行范围宽，以满足发动机在不同工况下的运行速度范围要求； ( 3 ) 发电运行时，在发动机的速度变化范围内和负载变化时能有效控制电 压在允许范围内： ( 4 ) 电机运行效率高，转矩输出平稳、低噪声、低振动： ( 5 ) 电机尺寸小、重量轻、系统结构简单、性价比高。 另外，i s g 系统电机的选择还要考虑功率等级、电机及驱动电路的成本、 电机与发动机的耦合方式和系统性能等。 适合选作i s g 的电机类型主要有以下几种：异步电机、开关磁阻电机、无 刷直流电机、永磁同步电机，基本性能如表1 1 所示【1 4 】【1 5 j 。 表1 - 1电机基本特性比较 t a b 1 一l c o m p a r i s o no ft h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tm a c h i n e s 性能异步电机开关磁阻电机 无刷直流电机 永磁同步电机 功率密度低较高 最高高 转速范围最高高较高较高 过载能力强强较强较强 最高效率( )9 4 , - - 9 5 9 09 5 - 9 79 5 9 7 1 0 负荷时效率( ) 7 9 8 57 8 8 69 0 9 29 m 一9 5 可靠性好好好最好 外形尺寸中等小小小 重量中等轻轻轻 转矩脉动小大大 小 控制器成本高高较低较高 其中，异步电机在i s g 系统中已有应用，特别是在欧美研制的i s g 系统中 应用较为广泛。这种电机具有结构简单、可靠性高、控制技术相对成熟等优点， 但控制复杂、成本高：低速时调速性能差，效率低；易发热。 开关磁阻电机结构紧凑、牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单、成 北京工业大学工学硕十学位论文 本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，可以方便的实现四象限 运行。但存在固有的转矩波动，可导致较大的噪声和振动。 无刷直流电机的转矩、功率密度大，位置检测和控制方法简单，效率高。 但是由于换相电流难以达到理想状态，造成转矩脉动大；并且其宽范围的“弱 磁”扩速功能难以实现，因而较难与发动机匹配实现动力辅助和高效发电功能。 永磁同步电机( p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r ，p m s m ) 的反电动 势波形为正弦波。该种电机具有高功率密度和高转矩密度、转矩脉动小、效率 高、结构紧凑、振动噪声低，通过合理设计永磁磁路结构能获得较好的弱磁性 能等综合优势，满足i s g 系统的要求，在i s g 系统中具有更高的应用价值。 本文研究的i s g 系统采用4 2 v 电压标准，曲轴安装方式，电机类型为永磁 同步电机。 1 3 2i s g 用永磁同步电机系统的技术难点 在发动机起动过程中，使用i s g 电机快速拖动发动机至预定点火转速，电 机必须要在极短时间内( 通常为0 4 s ) 将发动机拖动至怠速转速( 通常为 8 0 0 r r a i n ) 使发动机起动，取消发动机起动过程的加浓喷油过程，可以明显降 低排放，改善发动机的起动肿1 1 - 厶匕b e , i i 引。 励磁发电机国家标准要求额定负载下的输出电压静差率不大于士l 静态电 压误差：美军标和美航标规定，突加突卸负载1 5 8 5 额定负载时，电压的 动态恢复时间小于3 0 m s ，而目前我国发电系统电网在突加突卸负载时，电压动 态恢复时间大于l o o m s i i 引。 i s g 系统要实现起动和发电双重功能，必需满足上述相关性能指标。另外， 要同时兼顾起动和发电性能难度很大，主要体现在以下方面： ( 1 ) 电机设计及控制中的低速段和高速段之间的矛盾。 当起动和发电是两个系统时，分别用起动机和发电机两个电机来实现，起 动机工作在低速，发电机工作在高速，这样很容易设计系统。而在i s g 系统中， 两个电机合二为一，为提升转矩，电机额定转速一般设计较低，这就要求电机 既能在低速恒转矩区提供大转矩，又能在高速恒功率区提供辅助动力，还要能 在高速区实现稳压发电。上述要求增加了电机设计和电机控制的难度。 ( 2 ) 电动运行的额定电压和发电电压控制的矛盾。 i s g 系统电动运行时，电机由车载蓄电池供电；在发电工作时，电机被发 动机拖动在数倍的额定转速工作，要求输出电压必须稳定。由于发电转速范围 宽，必须采用弱磁控制或者d c d c 变换等技术实现稳压，而d c d c 变换器的 应用将增加系统成本，普通结构的永磁同步电机的宽范围弱磁控制也比较困难。 第l 章绪论 1 4 永磁同步电机的控制技术 近年来电机控制技术不断进步，其中具有代表性的有矢量控制、直接转矩 控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、智能控制等。其中，尤其 是矢量控制和直接转矩控制在实践中得到了更多的关注。 1 4 1 永磁同步电机的矢量控制 德国的b l a s c h k e 等人于1 9 7 1 年提出了交流电机的矢量变换控制理论，从 理论上解决了交流电机转矩的高性能控制问题。其基本思想是，在普通的三相 交流电机上模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标系上，将电流矢 量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量并使两分量互相 垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电机的转矩控制，从原理和特 性上就和直流电功能相似。矢量控制最初应用在异步电机中，后来逐步应用在 永磁同步电机的控制中，控制的基本思想是通过控制垂直于转子磁链的定子电 流来控制转矩。 矢量控制的目的是提高转矩控制性能，而最终仍然是要对定子电流的控制。 由于在定子侧的各物理量( 电压、电流、电动势、磁动势) 都是交流量，各物 理量的空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。为此借 助坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，在同步旋转的 坐标系上，电动机的各空间矢量都变成了相对静止矢量，根据转矩公式的数学 表达式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所 需的被控矢量的各分量值。按照给定量实时控制，就能使交流电机达到直流电 动机的控制性能。 1 4 2 永磁同步电机的直接转矩控制 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授提出了不同于坐标变换矢量控 制的另外一种交流电机调速控制理论直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ， d t c ) 。随后日本学者i t a k a h a s h i 也提出了类似的控制方案，引起了学术界的 极大兴趣和广泛关注。d t c 具有不同于矢量控制的鲜明特点，不需要旋转坐标 变换，在静止坐标系上控制转矩和磁链；采用b a n g b a n g 控制以获得快速的转 矩响应l i 引。其基本思想是通过控制定子磁链来直接控制转矩。d t c 方法不需要 任何的转子位置信息和电机的转子参数，无需将交流电机和直流电机作等效与 转化，省去复杂的空间坐标变换和电机模型。d t c 采用定子磁链定向，只需检 北京1 = 业大学1 ：学硕十学位论文 ! i i ii i 曼鼍曼曼曼曼曼曼曼舅曼量曼曼曼曼曼鼍 测定子绕组电阻即可观测定子磁链，解决了矢量控制中控制性能受转子参数影 响的问题。 1 9 9 5 年瑞士a b b 公司将d t c 技术应用到异步电机的通用变频器上，推出 采用d t c 技术的i g b t 脉宽调制变频器，随后又将d t c 技术应用于i g c t 三 电平高压变频器并应用于大型轧钢、船舶推进中( 如a c s 系列变频器，引自 a b b 公司官方网站) 。 1 9 9 7 年l i z h o n g 和r a h m a n 等人将d t c 方法引入到永磁同步电机的控制中 来，为永磁电机的d t c 做出开创性贡献2 0 1 。目前，d t c 方法已经应用在永磁 同步电机的控制中【2 1 1 陋1 1 2 3 1 。 现阶段永磁同步电机的d t c 还存在一些难点，成为学术界的研究热点。 1 4 3 永磁同步电机直接转矩控制的研究热点 现阶段国内外学术界对永磁同步电机d t c 的研究热点主要集中在以下几 个方面：定子电阻估算、初始位置估算、磁链估算方法、滞回结构和电压矢量 表的改进等。 电阻估算方面的研究 定子电阻是永磁同步电机d t c 中需要的唯一电机参数，定子电阻的准确性 直接影响到定子磁链的估算。电机在实际运行过程中，电机的定子电阻会随着 运行状态而发生些变化。 实际运行过程中电阻变化范围在0 7 5 1 5 倍2 5 0 温度下的电阻之间 2 4 1 。系 统在实际运行过程中并不方便测量定子电阻的温度。因此采用估算的方式来获 得定子电阻较为准确的信息是目前研究的热点。 文献 2 5 e 提出d t c 系统定子电阻的补偿方法，提出定子电阻的p i 估计 器。通过观测到参考磁链和实际磁链之间的误差，估算出定子电阻的变化。通 过测量的实际电流值和参考电流值进行比较，得到的误差输入到定子电阻p i 估计器中，估计器输出即为定子电阻的变化值。 转子初始位置的估算 永磁同步电机的定子初始磁链和转子磁链有关系，与定子参数没有任何关 系。所以，在电机起动时必须准确得到转子位置信息才能够准确获得转子磁链， 从而准确得到定子磁链初始值，在电机静止时通过特定的算法估算转子位置。 文献【2 6 】中用到的高频谐波注入法，常用来检测转子位置，可以用来估算 转子初始位置。文献【2 7 】提到一种基于定子铁心的非线性磁化特性的转子位置 第l 章绪论 估算方法。接近转子磁极的定子铁心受到转子磁极的影响，由于定子铁心的饱 和特性，使得定子绕组中顺磁方向的电流增大很多，其绝对值比去磁方向的电 流大。因此可以通过检测这种电流的变化来获得转子初始位置信息。文献 2 8 】 提出一种基于p i 调节器的转子位置估算方法，在定子绕组三相短路和转子绕组 通入正弦交流电流( 或直流脉动电流) 情况下利用系统中已有的电流传感器检 测定子感应电流及转子电流。利用测得的定子电流和转子电流在初始转子位置 估计坐标系中建立与位置角估计误差相关的误差函数，该函数值送到p i 调节器 输入端，稳态时p i 输出稳定的初始转子位置角估计值。 磁链估算方法的研究 定子磁链估算不准确，一方面影响空间电压矢量的选择，另一方面磁链估 算误差可能会影响控制策略和转矩的估算【2 5 1 。定子磁链的准确估算和有效控制 对于直接转矩控制系统非常重要。 由于电机参数较为敏感、易受无规律的非线性干扰且一些测量存在测量噪 声和a d 转换噪声，磁链估算易受积分误差累积的影响等，因此改进电机定子 磁链的估算方法一直是研究的热点。常用的估算改进有以下几种：滑模观测器 法、定子磁链自适应观测器法、磁链误差矢量补偿、扩展卡尔曼滤波器的磁链 观测器 2 9 1 。 文献 3 0 】 3 1 】提出基于模型参考自适应的定子磁链观测法。基于模型参考自 适应的永磁同步电动机定子磁链观测方法，能够克服系统的时变性及在系数矩 阵中的参数确切值未知的情况下实现对定子磁链的准确观测。该方法是将电机 运行过程中定子电阻这一变化最大的参数作为可变参数，以定子磁链为状态变 量的电机状态方程作为参考模型，将定子磁链状态观测器作为可调模型，通过 对定子电阻自适应律的推导得出定子磁链自适应观测器【2 7 】【2 引。自适应观测器对 定子磁链观测的准确度很高、对定子电阻等电机参数变化的鲁棒性也很强。 卡尔曼滤波器是一种基于最小方差估计理论基础上发展起来的一种算法， 扩展卡尔曼滤波器提供一种对非线性系统的状态进行精确估计的解决方案，即 关注包括系统参数和测量噪声在内的干扰噪声所带来的影响。当参数估计错误 时也被当作干扰处理，能精确地对状态变量进行估计，扩展卡尔曼滤波器还具 有较好的动态性能、高抗干扰性和精确的估计能力【2 们。 文献 3 2 1 提出一种磁链误差矢量补偿方法。该方法是针对表贴式永磁同步 电动机的定子磁链估计方法，从转子的位置信息和定子电流预测定子的磁链。 控制器结构的改进 永磁同步电机d t c 系统转矩脉动大的一个重要原因是滞回控制器本身的 9 北京工业大学工学硕。t - ：学位论文 缺陷，加之逆变器的实际开关频率并不够高，且所供选择的电压矢量有限( 只 有8 个，其中含两个零电压矢量) ，因而存在较大的磁链和转矩脉动。滞回控制 导致逆变器开关频率不恒定，使得功率器件容量无法得到充分利用。 文献【3 3 】分析了零电压矢量在永磁同步电机d t c 中的作用，并首次提出带 有零电压矢量的开关表。永磁同步电机电磁转矩变化受控于转矩角与转矩角的 增量，而零电压矢量对转矩角增量的作用很弱，一般从转矩的动态控制效果认 为，零矢量不适合在永磁同步电机d t c 中应用。在文献 3 4 1 1 3 5 15 b ，从理论和 实验角度证明，零电压矢量可以参与永磁同步电机的转矩控制，在低速时能有 效抑制转矩和磁链脉动，提高系统性能。但应用零电压矢量对于系统性能的提 高有限。 文献【3 6 】研究了十二分区段控制方法，通过增加区域和矢量的个数来减少 转矩脉动，但磁链细分区域越多，控制方法就越复杂。 文献 3 7 】中提出基于恒定开关频率空间矢量调制的永磁同步电机d t c ( s v m d t c ) 。用p i 调节器来替代原有的滞回比较控制器，通过定子电压预测 单元来预测定子电压矢量，替代原有的电压矢量开关表，最后通过空间矢量调 制输出。s v m 方式可以提高系统稳态性能，同时也使逆变器的开关频率变为近 似恒定，被认为是改善永磁同步电机d t c 稳态性能、降低转矩脉动的一种很有 前途的方法，值得进行更深入的研究。但是系统实现复杂，带来的动、静态特 性之间的矛盾仍有待解决【3 8 】【3 9 j 。 文献 4 0 【4 1 】【4 2 】将滑模变结构控制策略引入到永磁同步电机d t c 中。用转 矩和磁链两个滑模控制器来替代传统d t c 中的两个滞环调节器，其输出使用空 间电压矢量调制