（电力电子与电力传动专业论文）混合动力汽车永磁同步电机磁场定向控制系统研究.pdf

哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 s t u d y o nf i e l do r i e n t e dc o n t r o ls y s t e mf 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 o t o ro f h y b r i d v e n l c l e a b s t r a c t c o m p a r e dw i t he l e c t r i cv e h i c l e sa n di n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e s ， h y b r i dv e h i c l e sh a v em a n ya d v a n t a g e si nr e s p e c to fp o w e ra n de c o n o m y i t e q u i p p e dw i t ht w os y s t e m s ，ag a s o l i n ee n g i n ea n de l e c t r i cm o t o r c o m p a r e dw i t h v e h i c l e si nt h es a m eg r a d e ，h y b r i dv e h i c l e sm a k et h el i t t l ef u e lc o n s u m p t i o nb u t i m p r o v et h ee m i s s i o n sa tl e a s to n el e v e l ，w h i c hm a k e si tb e c a m ean e wh o ts p o t f o rc a rd e v e l o p m e n ti nb o t hh o m ea n da b r o a d a st h ek e yp a r to fp o w e 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 o t o r ( p m s m ) p l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nh y b r i d v e h i c l e s i ti so fg r e a ta c a d e m i ca n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et or e s e a r c hi t sc o n t r o l a l g o r i t h m f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m e du pt h ea d v a n t a g e so fh y b r i dv e h i c l e sa n d i t sp r o s p e c t ，a n di n t r o d u c e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d a st h e s u b j e c to ft h i sd i s s e r t a t i o n ，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 ri sw i d e l y a p p l i e di nh y b r i dv e h i c l e s ，b e c a u s eo fi t sh i g he f f i c i e n c y , h i g hp o w e rd e n s i t ya n d g o o dp e r f o r m a n c ei nm o d u l a t i n gv e l o c i t y t h ed i s s e r t a t i o na l s oi n t r o d u c e dt h e p r e s e n ts i t u a t i o no fp m s ma n di t sc o n t r o la l g o r i t h m t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f p m s mh a sb e e nb u i l t ，b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fp m s m a c c o r d i n gt o t h e p r i n c i p l eo fs p a c e v e c t o rp w mc o n t r o l ，af i e l d - o r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) s y s t e m b a s e do ns p a c e v o l t a g ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) i s p r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es i m u l a t i o nm o d e lo fp m s m b a s e do nf o ch a s b e e na l s ob u i l t ，f u r t h e r m o r e ，al o to f s i m u l a t i o nr e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n eb a s e d o nt h e s em o d e l s t h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2p r o d u c e di nt i c o m p a n yi s u s e da sk e r n e lc o n t r o lc h i pt od e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e m t h e p r i n c i p l eo ft h er e s o l v e ra n di t sd e c o d e rc h i pa n dt h e i ra p p li c a t i o ni nt h es y s t e m i i 哈尔滨理丁大学t 学硕一i ：学位论文 w o u l db ed e t a i l e dl a t e r t h et e s tb e n c ho fh y b r i dv e h i c l e sh a sb e e nb r i e f l y i n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec o m p o n e n t so ft h eb e n c ha n di t sf u n e t i o n sa r e s u m m a r i z e dl a t e r f i n a l l y , a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so ft h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s o m e c o n c l u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o nh a v eb e e np r o v e d i d e a sf o rf u t u r ea r ea l s o p r o p o s e d k e y w o r d sh y b r i dv e h i c l e ，p m s m ，f o c ，s i m u l a t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文混合动力汽车永磁同步电机 磁场定向控制系统研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：研l i 3 日期：加9 年干月夕日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 混合动力汽车永磁同步电机磁场定向控制系统研究系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本 人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密彤 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 彩易该炒钐 日期：加罗年砰月驴日 日期：盘吁缈月踟 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 节能和环保是当今汽车工业发展的两大主题，围绕这两大主题各国竞相开 展绿色环保汽车的开发，电动汽车成为主要的解决方案之一。根据动力源的不 同，电动汽车可分为混合动力电动汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车三大类。 其中，纯电动汽车由于现有动力电池组的续驶里程短、成本高，适用范围受到 较大的限制；燃料电池汽车也由于燃料电池技术尚未发展成熟、成本高，大批 量投入市场也需很长一段时间；而混合动力汽车( h y b r i dv e h i c l e ) 同时具有纯电 动汽车和传统内燃机汽车的优点，是目前电动汽车中最具有产业化和市场化前 景的车型之一，也是目前解决环境污染和能源问题切实可行的方案。而永磁同 步电机因其自身一系列突出的优点被广泛的应用与混合动力汽车中。本章首先 简要介绍了混合动力电动汽车的概念、结构特点、研究意义及国内外发展现 状，其次介绍了永磁同步电机控制策略的发展现状。最后，提出了本文的主要 研究内容。 1 2 课题研究的背景和意义 随着世界人口和经济的增长，对能源的需求量也不断增多。一方面是石化 能源的不可再生，一方面是消耗量的不断增大。以目前的发展速度，根据国际 上通行的能源预测，地球上的石油、天然气和煤能供人类开采的年限，分别只 有4 0 年、6 0 年和2 2 0 年。世界能源短缺常常引起国家冲突和战争，温室气体 排放导致了大量气候性灾难，环境污染直接影响人类的生存质量，能源和环境 问题促使各国研究开发新能源和节能、环保产品。 交通工具的能量消耗量占世界总能源消费的4 0 ，汽车的能源消耗量约占 l 4 ，面对节能和环保的巨大压力，伴随高新技术的发展，世界各国纷纷开发 新能源汽车、节能环保型汽车。中国年产汽车近6 0 0 万辆，并且年增长速度达 到了2 5 以上。据国务院发展研究中心产业部预测，到2 0 1 0 和2 0 2 0 年，我国 汽车的燃油需求分别为1 3 8 亿吨和2 5 6 亿吨，为当年全国石油总需求的4 3 和5 7 ，汽车将要“吃 掉一半左右的自产、进口石油。因此，中国汽车能源 应该纳入国家安全战略高度来考虑，为此，国家在“九五 、“十五”规划都安 排了“8 6 3 电动车项目，“十一五”计划安排了“8 6 3 节能与新能源汽车项 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 目。因此汽车的节能与环保对促进我国汽车工业和国民经济的可持续发展具有 重大意义【1 i 。 1 3 混合动力汽车 1 3 1 混合动力汽车简介 混合动力电动汽车是指具有两个或两个以上动力源，包括内燃机驱动、电 动机驱动，符合汽车道路交通、- 安全法规的汽车，它是介于内燃机汽车和电动 汽车之间的一种独立车型。一般意义上的混合动力电动汽车是指同时安装了发 动机( 柴油机、汽油机) 和电动机，以蓄电池组作为电能存储装置的车辆。与传 统燃油汽车相比，混合动力汽车的优点主要包括： 1 ) 采用混合动力技术后，在保证汽车动力性能不变的条件下，发动机的 功率可以选择得更小，而且发动机有更多的时间在油耗低、污染少的最优工况 下工作： 劲优化发动机的工作区域。在发动机工作在低效率区域时，可以关闭发 动机，由电动机单独驱动汽车，从而降低燃油消耗，提高效率； 3 ) 动力辅助。汽车在起动、加速、爬坡时，电动机工作在电动状态，提 供附加扭矩，能提高汽车的动力性能； 能量回馈。在汽车刹车制动、下坡时，电动机工作在发电状态，可以 实现汽车的无接触制动，产生的电能可以储存在动力电池组中，降低了汽车的 燃油消耗； 5 l 发动机起停控制，使发动机的起动不受环境温度的影响； 回合理控制发动机与电动机的功率输出，可让电池保持在良好的工作状 态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。混合动力电动汽车的缺 点在于结构复杂，技术难度大，价格较高。经过十多年的发展，混合动力传动 系统总成已从原来发动机、电机分离结构向发动机、电动机、变速箱一体化结 构发展，即集成化混合动力传动系统。 目前，各大汽车公司均对混合动力技术给予了高度重视，大力研发混合动 力电动汽车，已经有1 0 多款车型亮相，如丰田公司的h e v 车型p r i u s 、本田 公司的c w i c 、i n s i g h t 、福特公司的e s c a p e 。截至2 0 0 5 年，全球共销售 混合动力轿车超过5 4 万辆，占据了全球h e v 市场近9 0 的份额。中国厂商也 纷纷加入研发h e v 的长春一汽、一汽大众、东风、上汽、长安、比亚迪、奇 瑞、华普、沈阳金杯和厦门金龙等都在加紧研发自己的h e v 。2 0 0 5 年1 0 月， 哈尔滨理工大学工学硕二e 学位论文 中国国家混合动力汽车标准开始进入正式实施阶段，这在一定程度上推动 了国内混合动力汽车的发展。 1 3 2 混合动力汽车分类 混合动力汽车根据结构和驱动模式加以区根据结构和驱动模式的不同，可 分为串联式、并联式和混联式三种形式，相应的混合动力电动汽车称为串联式 混合动力电动汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称s h l 三v ) 、并联式混合动 力电动汽车( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称p 瑚w ) 、混联式混合动力电 动汽车( p a r a l l e l s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称p s h e v ) 1 2 1 。 1 3 2 1 串联式混合动力汽车串联式混合动力汽车主要由发动机、发电机和电 动机三部分动力总成组成如图1 - 1 所示。它们之间用串联方式组成s h e v 动力 单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由 电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷 时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况 时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、 滑行怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机一发 电机组向电池组充电。串联式机构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可 以将发动机调整在最佳工作点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来 达到调整车速的目的。时发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发 动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点时能量几经转换，机械效率低。 图1 - 1 串联式混合动力汽车结构模型 f i g 1 - 1s t r u c t u r em o d e lo ft h es h e v 1 3 2 2 并联式混合动力汽车并联式混合动力汽车主要由发动机和电动发电 机两部分动力总成组成如图1 2 所示。发动机与电动机分属两套系统，可以分 别独立地向汽车传动提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱 动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦 汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电机既可以作电 动机又可以作发电机使用，又称为电动一发电机组。这种装置更接近传统的驱 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 动系统，机械效率损耗与普通汽车相差不大，有比较广泛的应用1 3 1 。 扭 矩 组 厶 口 器 图1 - 2 并联式混合动力电动汽车结构模型 f i g 1 2s t r u c t u r em o d e lo ft h ep h e v 1 3 2 3 混联式混合动力汽车混联式混合动力汽车由发动机、发电机、电动机 三部分动力总成组成如图1 3 所示。发动机发出的功率一部分通过机械传动装 置输送给驱动轮，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动 机或动力电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动轮混联式 混合动力汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行 驶时，则以并联工作方式为主。混联式混合动力汽车充分发挥了串联式和并联 式混合动力汽车的优点，在转矩分配和功率流的控制上有更大的灵活性，能实 现发动机、发电机、电动机的优化匹配。混合动力汽车的混联式驱动方式在结 构上保证了混合动力汽车在复杂行驶工况下的最优工作状态，能实现低排放、 低油耗的最佳控制。与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，对动力复 合装置的要求更高。混联式结构中还需要复杂的控制系统，提高了制造成本。 丰田公司p r i u s 车的混合动力系统被公认为目前最先进、最成功的结构。 图1 - 3 混联式混合动力电动汽车结构模型 f i g 1 3s t r u c t u r em o d e lo ft h ep s h e v 哈尔滨理工大学工学碗e 学位论文 1 3 3i s g 混合动力技术 1 3 3 1l s g 技术的发展混合动力汽车的实现形式多样化，传统分类根据内燃 机是否与驱动轮有直接的机械连接，分为串联式、并联式、混联式混合动力汽 车。更具有逻辑性的分类方法时基于任务的分类方法，将混合方式分成三类， 即轻度混合型、功率混合型和能量混合型。与轻度混合方式相比，功率混合方 式和能量混合方式存在以下缺点：( 1 ) 结构复杂，对汽车底盘的改动较大：( 2 ) 系统复杂，例如丰田p r i u s 的动力分配机构是相当复杂的行星齿轮结构，而 通用p r e c e p t 最多需要同时控制两台电动机和一台发动机；( 3 ) 成本较高，主要 是电池能量和功率要求较高。目前制造成本最低、晶容易实现批量生产的是采 用起动机发电机一体化( i s g ) 技术的轻度混合动力汽车( i s g m h v ) 。图1 - 4 为混合动力电动汽车中i s g 电机的实物图。 随着混合动力技术的成熟以及4 2v 车载电源系统时代到来，i s g 技术会 显示出其更大的技术优势，将成为未来汽车的一个标准模块。1 s g 技术将传统 内燃机汽车中功能单一的电动机和发电机合二为一，电机能够在电动或发电状 态下运行，用电机取代了友动机起动机和电动机。采用i s g 技术，汽车动力传 动系统还可以省掉齿形皮带以及齿轮组等传动部件，内燃机部件可以全部采用 电驱动方式，布置更加灵活。由于电动机具有较大的功率，i s g 电动机对汽车 的动力辅助具有重要的作用。i s g 在形式上与传统内燃机汽车相似，但在汽车 节油、排放、发动机控制及能源管理等方面都有本质的提升。在控制器的控制 下，i s g 电机能在发电或电动状态下工作，可以方便地根据汽车的不同运行状 态，实现宽变速大容量发电、能量再生制动、发动机快速起停控制、电动助 力、主动减振等主要功能，从而提高燃油经济性、降低排放、增加舒适性。 幽1 4 混合动力汽车中的i s g 屯机 f i g 1 - 4p h y s i c a li s g i nt h eh e v 蜃囊舔蜃霎曩 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 1 332 国内外i s g 研究现状和实际应用在混合动力汽车研究领域，开本汽车 公司是国际混合动力汽车制造企业的一个标杆。上世纪9 0 年代以米，国外所 有知名汽车公司均投入巨资升始进行电动汽车和混合动力汽车实用车型的研 发。从新世纪初开始，在“8 6 3 ”计划的推动下，中国汽车制造企业和科研机 构在混合动力汽车方面也取得了很大的发展。下面对各国在i s g 方面的研究和 发展现状作一个概括介绍。 本田自1 9 9 9 年1 1 月开始在日本推出安装i s g 系统的混合动力轿车 i n s i g h t 。本田i n s i g h t 的动力系统包括一台作为主动力源的1 0l 稀薄燃烧汽油 机( 空燃比为2 6 ：1 ) 和作为辅助动力的1 0k w 的i s g ，i s g 采用了抗热性强的 永磁体，薄型线圈，风冷，超薄型电机的厚度仅为6 0m m 。此后，本田共推出 了3 款混合动力产品。2 0 0 1 年1 2 月，在主力车型c i v i c 上加载混合动力技术 的c m ch v b r i d 开始在日本市场销售。2 0 0 4 年1 2 月，安装可变气缸系统的 v 6 发动机和i s g 系统的a c c o r dh y b d 开始在北美销售。图1 - 5 为a c c o r d h y b r i d 整车及i s g 部分。 图1 - 5 a c c o r d h y b r i d 的整车及其i s g 部分 f i g 1 - 5 a c c o r d h y b r i d w i t h i t s i s g p a r t 2 0 0 0 年2 月，戴克公司在华盛顿的国家博物馆推出了其轻度混合型概念车 d o d g ee s x 3 。e s x 3 采用先进的共轨式柴油高压供油系统、变截面涡轮增压系 统和多气门顶置双凸轮轴的直喷式柴油机，并聚用铝合金结构降低重量，达到 了最好的燃料经济性。安装i s g 系统可减少系统重量、优化启动性能、回收制 动能量，并通过息速关机柬降低燃料消耗和排放，使动力系统的匹配达到最优 组合。图1 - 6 为d o d g e e s x 3 整车及i s g 部分。 懿霎璺。善蠼 晴尔滨理工人学工学硕士学位论文 圈1 4 d o d g e e s 的整车及其i s g 部分 f i g1 _ 6d o d g ee s x 3w i t hi t si s gp a r t 2 0 0 6 年1 月奇瑞汽车有限公亩】承担“i s g 混合动力轿车用汽油发动机研 发”和“b i s g 轿车关键技术与核心零部件研发”两个项目顺利通过验收。奇 瑞1 s g 动力系统由“1 3l 汽油机5 速手动变速器，1 0k w 电机，1 4 4v 镍 氢电池”组成，电机采用永磁同步电机并带有电机控制系统、逆变器以及 d c d c 转换器。最高稳定车速 1 8 0k m h ，0 1 0 0k m 加速时间1 1 3s ，加 速行驶时车外最大噪声7 1d b ，在城郊综合工况下油耗4 9 5l l l 0 0 k m 。参照 联邦德国提案，该类型车排放达到欧v 标准。奇瑞b - i s g 动力系统由“1 6 l 汽油机，5 速手动变速器，2k w 电机，1 2v 铅酸电池”组成，电机采用爪板 电机并带有电机控制系统。最高稳定车速1 8 0h n h ，o 1 0 0k m 加速时日j 1 28s ，在城郊综合工况下油耗为6 3l 1 0 0 k i n ，排放达到欧标准。2 0 0 6 年北京车展上展出了该公司一款并联式中度油电混合动力车a 5 1 3 i s g ，图l 一7 为该车的整车与j s g 部分。 誊囵 鼍誊幽i 嚣f 图1 7 奇瑞a 5 摧车及其i s g 部分 f i g1 - 7q i m i a 5a n di t si s gp a r t 长安汽车( 集团) 有限责任公司在科技部、重庆市科委、中国兵器装各集团 公司的大力支持下，联合清华大学、北京理。 大学、重庆大学、北航等高校和 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 科研单位共同承担“i s g 混合动力长安轿车整车项目”，目前也已通过国家级 验收。2 0 0 7 年长安杰勋h e v 混合动力车型在长安重庆工厂下线，这是中国首 款自主品牌混合动力轿车动力系统，系统是由永磁电机与传统汽油发动机组 成，采用起动机发电机一体化0 s g ) 技术，构成高性能、高效率的并联式驱动 系统，多能源动力总成控制系统和i s g 电机、镍氢电池等混合动力零部件更是 处于国内领先地位。整车排放达到欧i 标准，价格只比同档次的传统汽车增 加不到3 0 。图1 - 8 为长安杰勋的整车及其i s g 部分。 圆愚 图1 - 8 长安杰勋的整车及其i s g 部分 f i 9 1 _ 8j i e - h o o n w i t h i t s i s gp a r t 1 4 永磁同步电机及其控制策略的发展现状 1 4 1 永磁同步电机的发展现状 在1 9 世纪2 0 年代出现的世界上第一台电动机，就是永磁体产生励磁磁场 的永磁电机。由于当时所用的永磁材料天然磁铁矿石，磁能密度低，用它制成 的电机体积庞大，不久便被电励磁电机所取代。到上世纪7 0 年代末、踟年代 初，随着永磁材料的发展，永磁同步电动机才以其体积小、功率密度高、效率 和功率因数高等显著优点引起电动机设计及驱动技术研究人员的广泛关注和重 视。1 9 8 3 年问世的钕铁硼f n d f e b ) 永磁材料，由于其优异的磁特性、低廉的成 本和充足的材料等原因，引起了各国的高度重视，并进行了大量的研究和应用 开发工作。可以预测未来，钕铁硼永磁材料有可能在相当大程度上取代某些永 磁材料，成为永磁同步电动机首选的永磁材料。由于我国稀土资源蕴藏量占世 界8 5 以上，因而在开发高磁场永磁材料方面具有得天独厚的有利条件，并且 己在其应用和开发研究工作中，取得了丰硕的研究成果吲。 自上世纪9 0 年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别时钕 铁硼永磁材料性能的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展， 哈尔滨理t 大学下学硕j ：学位论文 稀土永磁电机的研究进入了一个新阶段。在永磁电动机的设计理论、计算方 法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局面，形成了以电磁 场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析方法和计算机辅助分析软 件。 目前永磁电动机的输出功率可以做到小至几毫瓦、大至几千千瓦，不仅覆 盖了微、小及中型电机的功率范围，且延伸至大功率领域。此外永磁材料的高 能积、小尺寸、轻量化等特点，给永磁同步电动机带来一系列突出优点：电机 电磁转矩波动小、转速平稳、动态响应快、过载能力强；低损耗、高功因数、 高效率、节约能源；体积小、结构简单、重量轻、可靠性高等 6 j 。 因而，永磁同步电动机应用范围非常广泛，遍及航空航天、国防、工农业 生产和日常生活等各个领域。本世纪，永磁同步电动机将持续目前良好的发展 势头，赢得更为广阔的发展空间和获得更加广泛的应用。 1 4 2 永磁同步电机控制策略的发展现状 永磁同步电机有强耦合、时变、非线性等特点，为了能够实现高性能的伺 服系统，使系统具备快速的动态响应和优良的动、静态性能，且对参数的变化 和外界扰动具有不敏感性，控制策略的正确选择发挥着至关重要的作用，优良 的控制策略不但可以弥补硬件设计上的不足，而且能进一步提高系统的综合性 能。 从电机控制技术和系统的控制策略来看，目前，控制策略主要有：转子磁 场定向矢量控制、直接转矩控制、p i d 控制、自适应控制、滑模变结构控制、 线性化控制、模糊控制、神经网络控制、多种控制策略的复合控制等。其中转 子磁场定向矢量控制和直接转矩控制为目前最常用的控制策略 7 1 。 1 9 7 1 年，德国西门子公司的e b l a s c h k e 提出矢量控制理论，使交流电机控 制理论获得质的飞跃。矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链 经坐标变换到以转子磁链定向的两相参考坐标系，定子电流被分解为相互正交 的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流的励磁分量，一个与磁链方向 正交，代表定子电流的转矩分量。维持电子电流的励磁分量不变，控制转矩分 量，这就相当于直流电机中维持励磁电流不变，而通过控制电枢电流来控制电 机的转矩一样，能使系统具有较好的动态特性。磁场定向矢量控制的优点是有 良好的转矩响应，精确的速度控制。但是，矢量控制系统需要确定转子磁链， 要进行坐标变换，运算量很大，而且还要考虑电机转子参数变动的影响，使得 系统比较复杂，这是矢量控制存在的不足之处【引。 哈尔滨理工大学t 学硕l j 学位论文 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授和日本学者i t a k a h a s h i 提出直 接转矩控制。通过定子磁链定向，实现对定子磁链和转矩的直接控制，而不是 以定子电流为控制目标。具体实现方法为：观测磁链和转矩的实际值与参考值 的误差，通过滞环比较及定子磁链空间矢量的位置确定控制信号，从一个离线 计算的开关表中选择合适的定子电压空间矢量，进而控制逆变器的功率开关的 状态。直接转矩空盒子不需要复杂的矢量坐标变换，对电机模型进行简化处 理，控制结构简单，受电机参数变化影响小。但也存在着一些不足：转矩、电 流波动大；实现数字控制需要较高的采样频率等【9 ，1 0 i 。 1 5 本文研究的主要内容 本课题是黑龙江省科技攻关项目，主要研究混合动力汽车永磁同步电机磁 场定向控制技术的仿真分析，并研究其硬件控制系统。 本文主要完成以下几个方面的工作： 1 首先研究永磁同步电动机本体结构，然后给出永磁同步电动机在却轴 坐标系下的数学模型，在此基础上，深入分析永磁同步电动机定子电流和转矩 的关系，为实现系统的磁场定向控制提供理论基础； 2 采用m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真平台建立永磁同步电动机系统仿真模型， 如c l a r k 、p a r k 坐标变换模块，磁链、转矩模块以及s v p w m 模块等，在此基 础上对闭环控制系统进行大量的仿真研究，从而为永磁同步电机磁场定向控制 系统的实现提供了理论依据； 3 采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制芯片构建永磁同步电机的硬件控制 系统，并给出其中主要功能模块的工作方式及原理。在此基础上，给出控制系 统的软件系统结构： 4 介绍混合动力汽车动力传动试验台的组成，阐述各个组成部分的结构 及功能； 5 结合动力传动试验台和硬件控制系统，进行实验研究，并针对存在问 题给出改进方案。 哈尔演理工人学工学硕十学位论文 第2 章永磁同步电机数学模型及磁场定向控制原理 2 1 引言 本章首先对永磁同步电动机的建模进行了研究，建立了永磁同步电动机在 不同坐标系下的数学模型，以及不同坐标系下坐标变量的相互转化关系；其次 详细阐述了永磁同步电动机的磁场定向控制系统，最后对空间电压矢量脉宽调 制方法( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称s v p w m ) 进行了研究，阐述 了其基本原理。 2 2 永磁同步电机的数学模型 在建立永磁同步电动机的数学模型之前，先作如下假设： 1 忽略电动机铁芯的饱和； 2 不计电动机中的涡流和磁滞损耗； 3 电动机的电流为对称的三相正弦波电流。 虽然实际的永磁同步电机可能不具备以上理想电机的苛刻条件，但是这样 可以使分析工作大大简化。 2 2 1 参考坐标系 磁场定向控制中所用的坐标系有两种，一种固定在定子上，它相对我们来 说是静止坐标系；另一种固定在转子上，是旋转坐标系。基于三相定子的三相 绕组构成的三相定子a b c 坐标系和由固定在a 轴上的a 轴及与之垂直的b 轴所组成的两相定子a 8 坐标系均为静止坐标系。而d 轴固定在转子轴线上的 d - q 垂直坐标系均为旋转坐标系。下面将介绍三相定子坐标系到两相定子坐标 系的变换及两相定子坐标系到旋转坐标系的变换。 2 2 1 1 三相定子坐标系与两相定子坐标系的变换在矢量控制中，我们获取的 是定子绕组上的三相电流，所以我们还需要做的问题是怎么把三相电流产生等 效电流矢量等效到a b 坐标系中和d - q 坐标系中去。一个旋转矢量f 从三相定 子a - b c 坐标系变换到定子a b 坐标系成为两相正交的矢量，成为c l a r k e 变 换，也叫做3 2 变换，其矩阵型式为： 哈尔滨理t 大学t 学硕+ 学位论文 卧层 1一!一1 22 o 鱼一生 22 c l a r k e 逆变换或2 3 变换的矩阵形式是： 黔 1 0 1历 22 1历 22 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 2 2 1 2 两相定子坐标系与旋转坐标系的变换a b 坐标系到d - q 坐标系的变换 也成为p a r k 变换。p a r k 及其逆变换如下所示，其中0 为两坐标系之间夹角，如 图2 1 所示【l l l 。 p d ， “0瓯 图2 - 1a - b 与d - q 坐标系之间关系 f i g 2 - 1r e l a t i o n s h i po ft h e a - ba n dd - qc o o r d i n a t es y s t e m 乏 。一c s o m s o 口s i n s 0 口 ；】 乏】2 。c s o ；n s 口o - s i s n 口o 。 乏】 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 2 2 2 永磁同步电机在d - q 坐标系下的模型 分析电力控制的永磁同步电机最常用的方法就是由轴数学模型，它不仅 可用于分析永磁同步电机的稳态运行性能，也可用于分析电机的瞬态性能。永 磁同步电动机的数学模型通常由电压方程、定子磁链方程、电磁转矩方程、机 械运动方程组成，在d q 坐标系下各方程可表示为： 哈尔滨理- t 大学t 学硕i j 学位论文 电压方程为： 定子磁链方程为： 电磁转矩方程为： 机械运动方程为： l d i d + 妒， t - p 瓴妒d 一妒g ) 三一d o ) 。t i 一毛i _ - i 一 pd t 。 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 式中：“。、“g 为定子电压由轴分量；、为定子电流由轴分量；妒孽、钆 为定子磁链由轴分量；乙、乙为定子绕组由轴电感；r 为定子电阻；妒，为 转子永磁体产生的磁链；t 为电机电磁转矩；瓦为负载转矩；j 为转动惯量； p 为电机转子极对数；g o 为转子电角速度。 2 3 磁场定向控制系统的基本原理 2 3 1 控制系统的基本原理 2 0 世纪7 0 年代，德国西门子公司的e 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p c c u s t m a n 与a a c l a n 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。其主要思想就是通过坐标变 换将异步电动机等效为一台直流电动机，从而像直流电动机那样进行快速的转 矩和磁链控制，因此矢量控制也被成为解耦控制或转子磁场定向控制，简称磁 场定向控$ 1 j ( f i e l do r i e n t e dc o n t r 0 1 ) t 1 2 j 。 三相永磁同步电动机的模型是一个多变量、非线性、强耦合系统。为了实 现转矩线性化控制，就必须要对转矩的控制参数实现解耦。转子磁场定向控制 就是一种常用的解耦控制方法。 转子磁场定向控制实际上是将d q 同步旋转坐标系放在转子上，随转子同 步旋转。其d 轴与转子的磁场方向重合( 定向) ，q 轴逆时针超前d 轴9 0 0 电角 00 r 足 + + m 可 d 妒妙 一 + d g 御即 兰 篁 d 鼋 比 “ ，j、【 哈尔滨理工人学丁学顾十学位论文 度，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 坐标系的相对位置关系 f i g 2 2r e l a t i o n s h i po ft h et w oc o o r d i n a t es y s t e m 图2 2 表示了转子磁场定向后，定子三相静止坐标系a b c 与转子同步旋 转坐标系d - q 的位置关系。定子电流矢量在d - q 坐标系上的投影可以通过前 面介绍的c l a r k e 变换和p a r k 变换求得，因此、是直流量。 三相永磁同步电机的转矩方程为 乙一p ( f 叮一) 一p 【一一( 乞一l 叮) i a i 叮】 ( 2 - 9 ) 式中：1 i ，为转子磁钢在定子上的耦合磁链，它只在d 轴上存在。上式表明转 矩由两相组成，括号中的第一项时由三相旋转磁场和永磁磁场相互作用所产生 的电磁转矩；第二项是由凸极效应引起的磁阻转矩。 对于嵌入式转子l d 0 ，b 一1 ，否则 曰一o ；g ：u 呵3 o ，c 一1 ，否则c 一0 。 参考电压矢量可由式3 - 6 表示1 2 6 , 2 q 。 一彳- f2 b - f4 c ( 3 6 ) 扇区判断仿真模型如图3 4 所示。 图3 - 4 扇区判断仿真模型 f i g 3 - 4s i m u l a t i o nm o d e lo fs e c t o rj u d g m e n t 3 3 3 2 基本电压矢量作用时间计算在创建该仿真模块时使用了s 函数模块， 并用m 函数进行编制。m 文件表述s 函数模块的开发步骤如下： 1 1 对m a t l a b 提供的标准模板程序进行适当修改，生成自己的s 函数； 2 ) 把自己的s 函数嵌入s i m u l i n k 提供的s f u n c t i o n 标准模块中，生成 自己的s 函数模块； 3 ) 对自己的s 函数模块进行适当的封装。 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 具体实现方程如下所示： x 。坠压 u 如 y ；! 亟! 坠生 2 u 如 z 。三亟二坠生 2 u 如 ( 3 7 ) 基本电压矢量作用时间f 。、f 2 与x 、y 、z 及扇区n 的关系如下表所示： 表3 - 1t l 、t 2 与x 、y 、z 及扇区n 的关系 扇区号 1 23 4 56 t l zyz- xx- y t 2 yxxz- yz 实际系统中，特别是电机突然加、减速时，电动机输出转矩变化较大，数 字电流环输出的电压参考矢量有可能超出逆变器输出最大电压时的参考信号， 因此必须加以约束，其关系式如式( 3 - 8 ) 所利2 8 1 。 若t 。+ f ： t s ，则参考电压矢量的作用时间修正为 仿真模型如图3 5 所示。 p 毒 仔8 ， f 上1 、7 t 14 - t 2 图3 - 5 基本电压矢量作用时间的仿真模型 f i g 3 5s i m u l a t i o nm o d e lo fa c t i n gt i m eo fb a s i cv o l t a g ev e c t o r 3 3 3 3 三相逆变器开关时刻计算为制定三相逆变器开关时刻表，先定义、 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 瓦、瓦，如式3 - 9 所示。 l 一 瓦一 瓦一 t 一五一r i “ 4 l + 吾 瓦+ 孚 ( 3 9 ) 逆变器的三相开关时刻表如表3 2 所示，再根据不同的扇区，按照表3 2 对三相功率器件导通时刻进行赋值，其中c r o p l 、c m p 2 、c m p 3 分别表示逆变器 三相桥臂功率器件的导通时刻【2 9 1 。 表3 - 2 a 、b 、c 三相开关时刻表 t a b l e3 - 2t h et i m es c h e d u l eo fa 、b 、c t h r e e - p h a s es w i t c h 扇区号ii iivv i c m p l乃乃乃t c乃 t b c r n p 2 乃t c 乃嚣乃乃 c m p 3 t c乃乃乃乃乃 该仿真模块同样使用m 文件表述，如图3 - 6 所示。 n 图3 - 6 逆变器开关时刻的仿真模型 f i g 3 _ 6t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ei n v e r t e ra tt h es w i t c ht i m e 3 3 3 4p w m 波生成模块由逆变器开关时刻值既可得到期望的p w m 波形，仿 真模块如图3 7 所示，s v p w m 生成整体仿真模型如图3 8 所示。 哈尔滨理工大学工学硕二 ：学位论文 图3 _ 7