（电力系统及其自动化专业论文）无刷直流电机控制系统的研究.pdf

a b s t r a c t f 一 a b s t r a c t a st h e r e q u i s i t i o n f o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n d e n e r g y - c o n v e r s a t i o n i m p r o v e sp r o g r e s s i v e l y ，t h er e s e a r c ho ff u e lc e l lc a rb e c o m eam a j o rp r o m i s i n gt r e n d i nt h ew o r l d o u rg o v e r n m e n th a sa l s or e a l i z e di t s a d v a n t a g ea n dp r o m o t e st h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff u e lc e l lc a ri nam o r ec o s t e f f e c t i v em a n n e r t h i s p a p e r sr e s e a r c ho b j e c t i v eb e l o n g st o t h em o t o ra n di t sc o n t r o ls y s t e mw h i c ha r e i m p o r t a n tp a r t so ff u e lc e l lc a r t h i st h e s i sf i r s ta n a l y s i st h ee f f e c t st ot h et o r q u er i p p l eb yt h ep w mm o d e s s e c o n d l yg i v e st h em o d e lo fb r u s h l e s sd cm o t o rf o rp s e u d o s i n u s o i d a le m f b l d c m a tt h es a m et i m es i m u l a t e sa n da n a l y z e st h ew o r k i n gc o n d i t i o no fh i g h s p e e db a s e do nt h i sm o d e l no r d e rt om i n i m i z et h ec o m m u t a t i o nt o r q u er i p p l eo ft r a d i t i o n a lt r a p e z o i d a l b i 。d c mu s i n g12 0 0c o n d u c t i o nm o d e ，f i r s t l y , a n a l y t i c a lf o r m u l a eo fc o m m u t a t i o n t o r q u ei nc o n d i t i o no fp e r f e c tb a c k e m fw a v e f o r m sa r ed e v e l o p e di nt h i st h e s i s ， b a s e do nw h i c hh ee f f e c t st ot h et o r q u et i p p l eb yt h ep w mm o d e s f u r t h e r m o r e ， s i m u l a t e st h ec o n s t a n tp o w e rc o n t r o lu s i n gt h em o d e lo fb r u s h l e s sd cm o t o ri nd q f r a m e i nt h ef i n a l i t y ，t h ep r o b l e m sr e q u i t i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：p mb l d c m ，c o m n m t a t i o nt o r q u er i p p l e s ，t h ec o n t r o ls y s t e mo fm o t o r c o n s t a n tp o w e rc o n t r o l l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交沦文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：丽恢彦 膨年；月夸日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：叼法踌 刀梃年) 月 争翻 第1 章绪论 第1 章绪论 电动汽车是以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，且满足道路安全法 规对汽车的各项要求的车辆，电动汽车的发展是石油危机及人们对环境要求的必 然产物。作为清洁、- 4 - 。的新型交通工具，电动汽车具有无与伦比的优势。它在 行驶过程中没有污染、热辐射低、噪音小、不消耗汽油、可应用多种能源、结构 简单、使用维修方便。因此，电动车受到世界各国的欢迎，被人们称为“明日之 星”。电动汽车又是高科技的产物，它集光、电、化学各学科领域的最新技术于 一体，是汽车、电力拖动、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源、 新材料等：亡程技术中最新成果的集成产物。 1 1 电动汽车的发展概况 1 1 1电动汽车的发展史 从1 8 3 4 年丌始，电动车已经有一卣多年的历史了。1 9 世纪术，电动车曾经 在欧美等发达地区出现过个丌发应用高潮。但随着内燃机技术的发展，燃油汽 车逐渐取得优势地位，相比之f ，由于电动车始终没有解决电池的容量、寿命等 方面的问题，只好让燃油车垄断了_ 巾场。到1 9 3 3 年，汽车市场上电动汽车的数 量几乎接近于零。直到上个世纪7 0 年代，随着石油危机的爆发以及全球环境闷 题的f 1 益凸现，低污染( 或者说零污染) 的电动车又重新被推到f j 台，而且随着 各国政府鼓励开发电动车的相应法律法规的出台，使得电动车的发展更具迫切性 和商业前景。 电动汽车与内燃机汽车相比最大的优点是少污染、噪卢低、不依赖于石油资 源，同时具有更快更精确的转矩控制能力。但以蓄电池为动力源，续行里程较短， 其一次充电续行里程不能与内燃机汽车一次加油续行里程桐比，而且蓄电池充f u 时问较长。因此针对电动汽车本身的弱点，开发出各种电动汽车以适应不同应用 领域。从上世纪6 0 年代丌始至今，电动车的玎发大致分为三个方向： ( 1 ) 纯电动汽车( e v ：e l e c t r i cv e h ic l e ) 。它是电动车长删丌发的主流车 型，蓄电池作为唯一系统动力能源，如( ；i ! 公司的i m p a c t 以及我国奇瑞公司丌发 的q r e v 。它最人的优点是零污染( 虽然汽1 ：本身不排放污染，仍在i 乜力的生产 1 一逐会产生污染，因此并刁i 是严格意义上的“零排放”) 、噪音小，但是由j 二蓄 u 池的充i 乜需要一定的时问，凶此它的续驶里程受到限制，一般单次充电的续驶啦 第1 章绪沦 程为1 0 0 公里左右。 ( 2 ) 混合动力电动车( i i e v ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 。它是上世纪9 0 年代起丌发的种新型汽车，由蓄电池和内燃机共同作为系统动力能源。如丰田 公司的p r i u s 。它兼顾了燃油车和纯电动车的特点，不受续驶里程的限制，又降 低了燃油排放，提高了燃油的效率。混合动力电动汽车的优点足：( 1 ) 采用混合 动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的所需功率，能处于油耗低、污染少的 最优工况下：r 作。需要大功率，但内燃机功率不足时，卜b 王池来补充；负荷少时， 富余的功率可发电给电池充电。( 2 ) 节能，因为有了电池，可以十分方便地回收 存制动时、下坡时、怠速时的能量。( 3 ) 在繁华市区，可关停内燃机，由电池单 独驱动，实现零排放。( 4 ) 有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、 除霜等纯电动汽车遇到的难题。( 5 ) 可以利用现有的加油站加油，不必再投资。 ( 6 ) 可l 止电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过殷，延长其使用寿命， 降低成本。( 7 ) 制动性能得到改善与提高，可以将电气制动和机械制动相结合。 混合动力电动汽车有几种基本的工作方式，即串联式、并联式和串并联( 或称混 联) 式。混合动力驱动汽车的缺点是：有两套动力，再加上两套动力的管理控制 系统，结构复杂，技术较难，价格较高。 ( 3 ) 燃料电池轿车( f c e v ：f u e lc e l le le c t f i cv e h ic 1 e ) 。也就是通过氧、 氧的化学反应产生动力，它足真j l 的零排放，电足发腱电动汽车的长远目标。 1 1 2 国内外电动汽车的发展现状 在国外的些发达国家，如美国、日本和欧洲等国，电动汽车已开始进入实 用化阶段。电动汽车由于高新技术发展的推动和政府对汽车排放越来越苛刻的要 求，各大汽车公司投入了大量的人力、物力和财力开发电动汽车，不断推出自己 的新产品。美国三犬汽车公司在1 9 9 1 年签定坼议，合作研究电动汽车用先进电 池及相关技术。福特公司研制t 以氢为燃利的电池轿车，它采用了“质子交换膜” 燃料电池；通用汽车公司i 9 9 0 年在洛杉矾展；驴冲击”牌电动轿车，1 9 9 4 年生产 5 0 辆。该公司还在欧洲分公司建立了个全球代用燃料推进中心( g a d c ) ，从事 汽车燃料电池技术的开发和研究；戴姆勒克莱斯勒汽年公司成功利用燃料p u 池 技术，制成首辆可驾驶的零污染环保汽车。该车在充足电后可连续行驶4 5 0 k m ， 最高时速可达1 4 5 k m 。统计数搬表明，美国在1 9 9 5 年就有1 9 0 家电动汽车生产 介业，共有电动汽车2 0 0 0 多辆。在日本，政府一直很重视电动汽车的发展，很 p 就对电动汽车的发攫做出了具体的布置和h 划。19 9 1 年通产省制定了“第3 届 乜动汽车普及计划”，用于推动电动汽牟的普及与应用。尔京r n 力公司】9 8 8 年联 合 1 本电池公司麸同卅发“l z a ”r 乜动汽车，体现了当时最新技术水平：空载量 第1 章绪论 1 5 7 3 k g ，装有2 8 8 v 镍镉电池，4 台无刷直流电机，输出功率为l o o k w ，最高车速 1 7 6 i c ! f l h ，每次充电后可以4 0 k m h 行驶5 4 8 k m 。在欧洲，法国的标致一雪铁龙与 雷诺两大汽车公司直在积极研制电动汽车，1 9 9 0 年j 一5 和c 一2 5 电动货车投 人生产，1 9 9 5 年标致1 0 6 和雪铁龙a x 电动车投人生产。德国欧宝公司从1 9 7 2 年开始研制电动汽车，1 9 8 1 年与a b b 公司合作改装电动轿车。2 0 世纪8 0 年代初 期奔驰生产电动大客车，于1 9 9 7 年9 月，在法兰克福汽车展览会上展出一款燃 料电池电动汽车，该车在奔驰a 级轿车基础上改装而成，装有燃料转换装置，使 用甲醇为燃料。1 9 9 0 年，意大利菲亚特汽车公司开始生产电动汽车，其载重量 为1 3 3 0 k g ，车速为7 0 k m h ，行驶里程为l o o k m 。 早在2 0 世纪6 0 年代国内就开始了电动汽车的研究，但当时的研究开发都 是零散和小规模的。自1 9 8 0 年开始掀起电动汽车的研究高潮，电动汽车被国家 列为“八五”、“九五”科技攻关项目。国内一些大学、科研院所和生产企业相继开 始研究电动汽车，取得的主要成果有：清华大学研制的1 6 座电动中巴车，东风 汽车公司研制的电动轿车，郑州市电动车辆研究所研制的电动轿车，天津汽车研 究所试制了微型厢式电动汽车，华南理工大学研制的轻型电动客车，远望集团公 司研制的电动大客车，长江动力公司研制的电动双层大客车等等。 科技部在“卜五”国家8 6 3 计划中，特别设立了电动汽车重大专项，并于2 0 0 1 年2 月丌始启动。其中由上汽、同济大学、信息部2 1 研究所一起合作的燃料电 池轿车样车已经在同济大学试制成功，并且达到了预定的性能。由清华大学、北 京客车厂、株洲电力研究所一起研制的燃料电池客车的样车也己完成。计划是到 2 0 0 5 年能够做出燃料电池汽车的技术平台。目前发展比较快的是混合动力客车 和混合动力轿车。混合动力客车是由一汽和东风公司牵头，与华中理工大学和哈 尔滨工业大学合作研制的。现在样车已经出来了，正在跑路试。与同类客车相比， 可以节省三分之一的燃油在2 0 0 5 年，混合动力汽车要形成批量生产，将来可 以用于城市间的交通。 1 1 3 无刷直流电机在电动汽车中的应用与前景 永磁无刷直流电机由于自身的诸多优点，在电动汽车产业中得到了广泛的应 用，并且具有良好的发展前景。 电动汽车对其动力装置提出了比通常情况更高更复杂的要求：频繁启动停 车：快速提降速：具有高能量密度和高效率，以尽可能地降低车身的尺寸和重 量；应具有良好的动态性能，高稳态精度，且易于控制。永磁无剧直流电机的诸 多独特优势( 起动力矩大、过载能力强、体积小、省电、高效率、长寿命、兔维 第l 章绪论 修和控制方便等) ，币适合电动汽车的运行特性。目前，东京电力著名的i z a 是 一款其有代表性的高性能电动汽车，采用的也是永磁无刷直流电机，技术水平超 过了g m 公司基于感应电动机的i m p a c t ；此外宝马公司的b m we l e 2 型电动汽车、 h o n d a 、t o y o t a 和n i s s a n 等公司的电动汽车也都选择了永磁无刷直流电机作为 瓢动f 也动机。 1 2 国内外无刷直流电机的研究现状及分析 1 2 1国外无刷直流电机的发展状况 早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷， 从而蜒， i 了无刷直流电动机的基本思想。1 9 5 5 年，美国的d h a r r i s o n 等人首 次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代 无剁直流电动机的诞生。 国际上一般意义的芜刷直流电动机b l d c m ( b r u s h e s sd cm o t o r ) 是指方波 无刷直流电动机系统。其特征是只需简单的丌关位置信号即可驱动逆变桥工作。 1 9 7 5 年无刷直流电动机首次出现在n a s a 报告中。之后，由于高性能、低成本的 第蔓代永磁材举| f i 勺出现，以及大功率、全控型功率器件的出现，使无刷直流电动 机系统获得了迅速的发展。1 9 7 7 年，出现了采用钐钴永磁材料的无刷直流电动 机。之后不久，无刷直流电动机系统开始广泛采用高磁能积、高矫顽力、低成本 的第三代n d f e b 水磁材料，且采用霍尔元件作为位置传感器，采用三相全桥驱动 方式，以提高输出力矩，使其更加实用。1 9 8 6 年，h r b o l t o n 对方波无刷直 流电动机系统进行了全面的总结，该文献标志着方波无刷直流电动机系统在理论 j 二、驱动控制方法_ i = 已基本成熟。 为克服方波无刷直流电动机系统力矩平稳性差的缺点，人们研制出了正弦波 无刷直流电动机系统，国际上一般称之为永磁同步电动机( 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 o t o r ) 。该系统实际上为带有位胃传感器的逆变器驱动的永磁同步 f 乜动机系统，反电势波形为正弦波，逆变器采用s p w m 技术或滞环控制技术等调 制出正弦电压或电流并与电机反电动势保持适当的相位关系，从而产生比较平滑 的电磁转矩：在这种情况下，位置传感器需要提供连续的转子位置信号。正弦型 永磁无刷直流电机的结构比较复杂且成本较高( 尤其是位置传感器) ，控制方法 灵活，一般转矩波动比较小，因此往往用于对转矩脉动要求比较严格的驱动控制 系统叶j 。 第1 章绪论 1 2 2 国内无刷直流电动机发展概况 我国稀土资源丰富，储藏量为世界其它各国总和的四倍，有“稀土王国”的 美誉，在开发稀土永磁材料方面具有得天独厚的有利条件。稀土矿石和烧结钕硼 永磁的产量都居世界前列，稀土永磁材料和永磁电机的科研水平都达到了国际先 进水平。早在1 9 6 5 年我国就研制成功了永磁式无刷直流稳速电动机，应用于第 二_ 颗人造卫星及回收装置的磁记录仪中。国际上公认2 l 世纪全球稀土永磁的研 究中心在中国。因此，充分发挥我国的优势，大力推广应用稀土永磁电机，对我 国的现代化建设具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 3 无刷直流电动机系统的发展趋势 回顾历史，无刷直流电动机已有近8 0 年的发展史。由于电机理论和其它相 关技术发展推动下，“无刷直流电动机”的概念已由最初特指“方波驱动电子换 向的直流电动机”，延拓至“所有具备有刷直流电动机外部特性的电子换向式永 磁电动机”。无刷直流电动机的发展使得传统的电机学科同当代许多新技术的发 展密切相关。随着大功率半导体器件、电力电予技术、微电子技术、数字信号处 理技术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材料的不断出现，如今的永磁无刷 直流电机系统已经成为集特种电机、功率驱动器、光或磁检测元件、控制软件与 硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当今工程科学领域的许多最新成 果。 进入九十年代以来，随着永磁材料性能的不断提高，特别是钕铁硼的热稳定 性和耐腐蚀性的改善以及电力电子器件的进。一步发展和改进，加上无刷宜流电动 机研究和开发经验的逐扼成熟，无刷直流电动机的应用、开发进入一个新阶段， 具有以下特点： ( 1 ) 应用范围丌始拓广到高温i 高真空或空问狭小等特殊使用场合。 ( 2 ) 微型化和超微型化。 ( 3 ) 由传统的三相发展成五相、六相等多相化电机。 ( 4 ) 高转矩、大推力、大功率化。 ( 5 ) 数字化、智能化。 ( 6 ) 多功能、一体化。 第l 章绪论 1 3 无刷直流电机控制技术综述 1 3 1 无速度传感器控制技术”1 在传统的无刷直流电机中常用的位置传感器有电磁式位置传感器，光电式位 置传感器及磁敏式位置传感器等。电磁式位置传感器有开口变压器、铁磁谐振电 路、接近开关等多种类型，但其体积大，抗干扰能力差，因此目前已经不多用。 光电式位置传感器体积也比较大。尤其是正弦型位置传感器，价格昂贵，结构可 靠性差。霍尔磁敏式位置传感器体积小，使用方便，但是往往存在一定程度的磁 不敏感区，从而造成转子位置误差。同时，这种位置传感器也会因恶劣的应用环 境，如高温、低温、高湿或污浊空气等产生转子位置误差。因此，在工业应用中， 使用位置传感器的弊病目益明显，表现在： ( 1 )位置传感器难于安装在电机内部很有限的空间里，且维修困难。 ( 2 )显著增加小容量设备的硬件投资。 ( 3 )使电机设计复杂化，且增加电机尺寸。 ( 4 )难于适应恶劣的环境，在某些工业应用场合甚至不允许使用。 ( 5 )位置传感器有碍机械传动。 ( 6 )传感器连接线多，容易日l 入干扰。 在无刷直流电机控制中，如果不使用位置传感器，就必须借助于对与电机转 子位置有关量的检测和计算以获得电机转予的位置。无位置传感器无刷直流电动 机转子位置检测方法有以下三种： ( 1 )检测反电动势。 在这种转予位置检测方法中，控制器只需要检测未导通相绕组中的感应反电 动势称为“反电动势法”。根据检测点不同，又可以分为两类。一类是宜接检测 换相点，另一类是检测电机感应反电动势过零点，再滞后3 0 。电角度即为换相点。 直接检测换相点的方法是通过对反电动势进行积分来计算换相点。反电动势过零 点法适用于二_ 二导通、三相六状态的控制方式，根据电机端电压或相电压检测未 导通相反电动势过零点，再延迟3 0 。电角度后进行换相。这种方法灵活、便利。 ( 2 ) 检测定予电流三次谐波。 ( 3 ) 检测续流二极管电流通路的方法。 1 3 2 智能控制技术” 水磁无刷直流电动机是典型的机电一体化产品，采用先进的控制策略可以进 一步提高系统的整体性能。传统的电机控制策略一般都是基于拉普拉斯变换的经 6 第1 章绪论 典控制理论，对应单输入单输出，以p i d 控制为代表。是目前在永磁无刷直流电 机中应用最广泛也是最成熟的控制方法。由于它们都依赖精确的数学模型，因而 都有对负载的适应能力差、抗干扰能力弱和对系统参数变化敏感的缺点。由于电 机系统是多变量、非线性、强耦合的复杂系统，很难用精确的数学模型来描述， 这就使得基于精确数学模型的传统控制方法显示出一定的局限性。现代控制理论 的成熟为解决经典控制理论的局限性提供了新思路。现代控制理论以状态交量为 基础，对应多输入，多输出，目前应用于永磁无刷直流电机的控制方法主要集中 在模型参考自适应、滑模变结构、状态观测器等方面。如文献 2 5 采用位置滑模 控制，建立转矩观测器，对由电机系统的参数变化、电源电压波动及负载扰动造 成的转矩脉动进行补偿，仿囊和实验结果表明滑模控制方法具有良好的鲁棒性。 文献 2 7 采用直接模型参考自适应方法( d m a r c ) ，自动调整参考电流的波形，以 抑制由于逆变器饱和而产生的转矩脉动。文献 2 6 把非正弦分布的磁链表示成基 波和谐波两部分，对由谐波产生的转矩脉动通过卡尔曼滤波进行识别，然后通过 调整参考电流来补偿转矩脉动。 但是经典控制理论和现代控制理论都有一个共同的局限性，即被控对象的数 学模型必须预先知道，但是实际应用中，很多被控对象的模型极其复杂，很难建 立数学模型。大量文献采用的状态估计和参数识别等方法也大都基于线性模型： 自适应控制技术能够提高系统鲁棒性，但它只适合小范围的模型不确定因素，如 受控对象的结构和参数变化缓慢，非线性不很严重的场合。随着人工智能技术的 发展，专家系统、模糊理论、人工神经元网络等智能控制的最新成果开始进入电 机控制领域，给进一步提高永磁无刷直流电机的控制性能提供了一条全新的途 径。特别是神经网络控制技术，作为一种大规模并行、分布式信息处理系统，它 具有很强的自适应能力、非线性映射能力、容错能力和无需先验知识的概括能力 等特性因此它可以通过自学习，对系统的各种特性或新出现的情况进行描述， 并可以通过自学习和自组织得出相应的控制策略。此外，由于大规模并行处理技 术的采用，使得神经元网络具有很快的信息处理速度，控制的实时性很强，这也 正是目前高性能电机调速系统所要求的特性。神经网络的这些特点使得它和传统 的控制理论相比，具有明显的优越性，但是神经网络控制在电机控制领域的应用 还只是刚刚起步，主要停留在理论研究阶段，大规模的应用还有待一段时日。目 前应用于永磁无刷直流电动机控制的文献报导，主要集中在非线性建模、自学习 方法的选择以及局部控制等方面，例如基于神经元网络的优化p 嘲控制器，优化 p i d 调节器等，其实现必须通过微机或高性能的浮点d s p ，比较困难。 第_ 章绪论 1 4 电动汽车对电机驱动系统的要求“1 ( 1 ) 功率密度高 与通用逆变器不同的是，适用于用于电动汽车的牵引逆变器要求体积小、重 量轻、结构紧凑等特点。逆变器一电机系统受到整车空间布置的限制，对整个系 统的外形尺寸有很高的要求。为减少整车的重量，要求牵引逆变器具有较高的功 率体积比( 或功率i 重量比) 。 ( 2 ) 运行效率高 在工业应用中，电机通常运行在额定转矩、额定转速下。电机要求在整个转 矩、转速允许区域内高效率驱动，尤其加速和爬升、低速区域具有高效率。电动 汽车对逆变器一电机系统的效率提出了更高的要求，在整个转矩、转速允许区域 内，要求驱动系统具有较高的工作效率。对于牵引逆变器，一方面要求其本身具 有很高的输出效率；另一方面对控制软件提出了更高的要求，能实现在电机的运 行中系统运行效率的最优化控制。 ( 3 ) 过载能力强 电动汽车对电机牵引逆变器的输出电流提出了较高的要求，电动汽车要求起 动具有很高的快速性。相对于通用变频器，其额定输出电流明显偏高，峰值电流 要求更加苛刻，要求具有高的过载能力。 ( 4 ) 散热性能好 用于电动汽车的牵引逆变器由于布置空间的限制，具有体积小，重量轻、功 率密度高的特点，因而对牵引逆变器的散热系统提出了很高的要求。散热方式有 风冷和水冷两种，对于水冷方式的牵引逆变器，体积相对较小；而对于风冷的牵 引逆变器，由于风冷效果明显低于水冷效果，因而对风冷逆变器散热系统的设计 提出了更高的要求。 ( 5 ) 具有能量回馈性能 电动汽车的一大优点是可以将汽车制动时的动能转变为电能而回馈到电池 中。电动汽车制动时，驱动电机可转变为发电机，汽车行驶的动能通过传动系统 带动发电机，由牵引逆变器来调节发电机的特性，从而控制制动力和制动减速度 的大小，发电机发出的电能回馈对蓄电池充电。 第l 章绪论 1 5 本论文内容安排 本文研究内容是以国家8 6 3 电动汽车重大专项的子课题电动汽车用电 机及其驱动器项目而展丌的，本文作者参与了该项目中的研发。文中所述的内容 在电动汽车的实践中得到了有效的应用，其控制性能达到了8 6 3 合同的规定，并 通过国家科技部专家组的验收。但在研发过程中，发现存在很多不足之处。因此 本文从理论分析的角度出发，对无刷直流电机在三相坐标系下的数学模型和在 d q 坐标系下的数学模型做了详细的介绍。并在此基础上对无刷直流电机低速下 转矩脉动和高速下的转矩控制精度做了较为全面的理论研究。同时给出了仿真波 形与实际波形。论文内容安排如下： 第一章绪论。介绍了国内外电动汽车及无刷直流电机的发展概况。并对永磁 无刷电机控制技术作了简要介绍。 第二章无刷直流电机控制系统分析。分析了无刷直流电机控制原理，以及 通过提前换相来实现弱磁的控制方法。给出了实际波形。同时提出该控制方法目 前存在的主要问题。 第三章无刷直流电机转矩脉动控制策略。根据无刷直流电机在三相坐标下 的动态数学模型，从理论上推导了换相转矩脉动的成因。并且重点分析了不同 p w m 调制方式对换相转矩脉动和非换向相电流脉动的影响。 第四章无刷直流电机弱磁控制策略。导出了无刷宣流电机在d - q 坐标下的 数学模型，并根据该模型对高速时的弱磁工况进行了仿真和分析。 第五章结论与展望。对全文进行总结，并提出几点设想。 第2 章无刷直流电机控制系统分析 第2 章无刷直流电机控制系统分析 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经 济的各个领域以及人们的日常生活之中。目前电动机主要由同步电动机、异步电 动机和直流电动机三种。无刷直流电机作为一种永磁同步电机，直流无刷电机自 6 0 年代诞生以来，由于其既具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的优 点，又具有直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，同 时还克服了直流机由于机械换相和电刷而带来的一系列弊端，故其在国民经济的 各个领域得到越来越广泛的应用。与此同时，随着现代控制理论、电力电子技术 等学科领域的飞速发展，直流无刷电机的驱动及控制技术作为电气传动领域的一 个分支，也在其特定的领域显示出强大的生命力。而在汽车行业，电动汽车作为 种无污染、能源多样化配置的新型交通工具，正越来越受到社会各界尤其是政 府部门的重视，永磁无刷直流电机由于其具有很高的效率和转矩质量比，使其 在电动车传动系统中备受青睐。 2 1无刷直流电机的基本结构 图2 1 是简化了的电机逆变器的原理图。这里为便于理解，我们可以 形象地把直流无刷电机分为三个部分，既由电机本体、位鬣传感器和电子开关线 路三部分组成。实际应用中的电机就是这里的电机本体和位置传感器的组合。电 电动机 电子开 关线路 幽2 1直盎无刷l 乜动机的结构图 机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其它起动装置。其定 子绕组一般接成多相( 三相、四柏、五相不等) 。转子由永久磁钢按定极对数 o 第2 章无刷赢流电机控制系统分析 p ( 2 p = 2 ，4 ，) 组成。图2 1 中的电动机本体为兰相两极。而这里的电子开 关线路部分实际上就是交流传动系统的逆变器。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联接，图2 1 中a 相、b 相、c 相绕组分别与功率开 关管k 、坎、k 相接。位置传感器的跟踪转子与电机转轴相联接。t 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磁钢位置变换成电信 号，去驱动电子开关线路，。从而使定予各项绕组按一定次序导通。定子相电流随 转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转 角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。因此，所谓直流无刷电机，就其 基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁同步电动机以及位置传感 器三者组成的“电动机系统”。其基本原理框图如图2 2 所示。 图2 2 直流无刷电机的原理框图 电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电机中的所使用的永久磁钢的作用相似， 均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于直流无刷电动机中永久 磁钢装在转子上，而直流有刷电机的磁钢装在定子上。 电子开关线路是用来控制电动机定子上各项绕组通电的顺序和时间，主要由 功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元 是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电 动机定子上各项绕组，以使电动机产生持续不断的转矩。而各项绕组导通的顺序 和时间主要取决于来自位置传感器的信号。 2 2 无刷直流电机的工作原理 图2 3 是一个3 相2 极永磁电机示意图。转子旋转方向为逆时针恒速旋转， 下面分别对这六个时刻的状态给予解释。 ( 1 ) 取图2 3 a 的转子位置为r - 0 一的时刻，此时相带a 、b 和c 同处于n 极下，而相带a ，、b 和c 同处于s 极下。b 相和c 相仍在导通，电流方向如图 所示。这一时刻为换相前时刻。因此记为f = 0 一。 ( 2 ) 当转子到达图2 3 a 所示的转子位置时，电机的位置传感器会给出换 相信号，假定电流换相是在瞬间完成的，即c 相绕组断开，a 相绕组导通( c 相 第2 章无刷直流电机控制系统分析 和a 相进行换相) ，b 相绕组仍然反向导通。换相后的时刻记为t = 0 + ，即如图2 3 b 所示时刻。此时，逆变器a 、b 两相绕组馈入直流电，电流方向为a2 叫s 。 ( 3 ) 转予继续旋转，转过6 04 电角度后，位置传感器又检测到换相信号，此 时，b 相绕组断开，c 相绕组导通，即逆变器触发信号保证在r f 2 o ”的时刻饺 b 相和c 相进行换相，电流方向为一2 七。图2 3 c 表示的是出r f 2 6 0 。抉相前 的时刻，图2 。3 d 表示的是，f ：6 0 换相后的时刻。 ( 4 ) 同理，不难理解图2 3 e 和图2 3 f 分别为国，扣“u 时的换相前后的 电流分布图。 爿彳4 鲺鳓，鳓 人人卜且公 a ) f o ，= 0 ( 换相前) b ) = o 。( 换胡后) c )缈，= 6 0 。( 换相前) d )m ，= 6 04 ( 换相后) e )甜= 1 2 0 。( 换相前) f ) 0 9 ，= 1 2 0 。( 换相后) 例2 3 转子位置与电流换相关系 由图2 3 可以看出，在转子旋转角度珊，- 0 0 至r o r f5 1 2 0 。区间内，a 相是 始终导通的，且相磴a 始终处于n 极磁场内，相带a ，始终处于s 极磁场内，所 以感应电动势8 一的幅值在m ，r 2 0 。至m ，r 。1 2 0 。区间内是始终恒定的( 记为e 一) 。 当甜r ， 1 2 0 时，a 相关断，相带a 和a ，分别超出n 极区和s 极区，8 一随之减 小。因相带宽度为6 0 。，i n g i i nc o r f _ l ，u 时，8 一应降为零。过零后，随着转子 旋转，8 一改变方向。当t o r t 2 1 9 0 时，相带a 和a 则全部置于s 极和n 极磁场 下，于是8 一达到反向最大值一止，并在1 2 0 。的区间内保持不变。转子继续旋转6 0 。 电角度后，钆又达到i f 向最大值n 。如此，8 一在0 。到3 6 0 的区间内构成了完楚 的梯形波，梯形波平定宽为1 2 0 。，由此，容易知道8 a 和也具有同样的波形， 并且三者互差1 2 09 ，如图2 4 b 所示。 第2 章无刷直流电机控制系统分析 ：。f = 芒兰竺墨产e 二二。只 a ) a )永磁磁场b )电流与感应电动势 图2 4 转子位置与电流换相关系 综上所述，可以得出无刷直流电机的电流和感应电动势具有以下特点： 1 ) 感应电动势为三相对称的梯形波，其波顶宽为1 2 0 4 ； 2 ) 电流为三楣对称的1 2 0 。方波； 3 ) 梯形波反电势与方波电流在相位上严格同步。 由图2 4 可以看出，在任何时刻，定子上只有两相同时导通，于是电磁功率为： 只= e a i _ + e n i 日+ e c i c = 2 e ， ( 2 1 ) 电磁转矩为： t ：旦；三e ，； ( 2 2 ) ( 1 ) ，鲫， 得出反电势的幅值e 为： e s = n b g l r c o ， ( 2 3 ) 式中，出，为转子机械角速度 国。 2 2 1 1 7 加 s 啡 qh 。生 t h = = 0 饥生 m k 丸m k ，(l | i 0m 茁 = k 第2 章无刷直流电机控制系统分析 崮2 7 无刷直流电机的转矩闭环控制结构框矧 2 5 转矩闭环的无刷直流电机弱磁角度控制分析 2 5 1 依据转速变化的弱磁角度控制 通过对无刷直流电机电流闭环控制系统的弱磁提前角度检测，确定弱磁提前 角度与电机转速之间的关系表格，用于无刷直流电机转矩闭环控制，系统控制结 构如下图2 8 所示： 前角口 生器p = “m 锵 提前角口( 归0 时为不弱磁) p i d 调节器 phase _ 一 数字低通i 滤波l 卜 无刷直流 电动机 强2 8 依据转速变化确定弱磁角度的无刷直流电机的转矩闭环控制结构框图 系统中，三相逆变器的相位控制根据电机的转速分为恒磁通控制和相位提前 控制，依据弱磁提前角度与电机转速之间的关系表格，随着电机转速的变化得到 相应的相位提前角度。 2 5 2 依据转速和电流变化的弱磁角度控制 通过对无刷直流电机电流闭环控制系统的弱磁提前角度检测，确定弱磁提前 角度与电机转速和电机定子电流幅值之问的关系表格，用于无刷直流电机电流闭 环控制，系统控制结构如下图2 9 所示： 第2 章无刷直流电机控制系统分析 图2 9 依据转速和电流确定弱磁角度的_ j e 刷直流电机的转矩闭环控制结构框图 该系统与依据转速变化确定弱磁角度的无刷壹流电机的转矩闭环控制系统 相比，主要的差别是弱磁提前角度的确定。该系统中，依据弱磁提前角度与电机 转速和电机定子电流幅值之间的关系表格，随着电机转速的变化和定子电流幅值 的变化得到相应的相位提前角度。 2 6 车用无刷直流电机控制系统试验波形 本论文是以国家8 6 3 燃料电池轿车项目电机及其驱动器子项目为依托 。该项目对电机及其驱动器提出了如下图2 1 0 所示的系统性能指标。 闰2 1 0电机及其驱动器系统的要求性能指标 1 9 第2 章无刷直流电机控制系统分析 这里给出试验所测得的电机在峰值工况下六个转速点的试验数据及波形，分 别为恒转矩区的2 0 0 0 r p m 、4 0 0 0 r p m ，恒功率区的5 0 0 0 r p m 、8 0 0 0 r p m 以及降功 率区的9 7 0 0 r p m 、1 1 3 0 0 r p m 。 图2 1 3 电机转速5 0 0 0 r p m 时的电机状态( 恒功率区) 第2 章无刷矗流电机控制系统分析 2 l 第2 章无刷直流电机控制系统分析 2 7 小结 无刷直流电机采用上述转矩闭环控制系统( 弱磁工况下衣据转速变化的弱磁 角度控制) 是可行的。 但从波形图可以看出还存在一些问题。通过将图2 1l 和图2 1 2 进行比较 可以看出第一个问题：在低速工况输出大转矩时，无刷直流电机换相时的电 流脉动比较大，从而引起换相转矩脉动增大。 另外还存在一个问题：根据图2 1 5 和图2 1 6 ，能够看出在高速工况时， 电机三相电流在整个高速运转过程中电流波动比较大，从而引起转矩的控制 精度不高。 下面两奄针对以上两个问题进行分析与研究。 第3 章无刷直流电机转矩脉动控制策略分析 第3 章，无刷直流电机转矩脉动控制方法分析 理想无刷直流电动机的电磁转矩是恒定的，应不会发生脉动。但是，由于永 磁体励磁磁场畸变、定予绕组和励磁磁场空间分布匹配不当、定子电流换相不可 能瞬间完成以及定子齿槽的存在，将使转矩产生脉动。通常把定子齿槽引起的谐 波转矩称为齿槽转矩，而由电流和感应电动势波形偏差引起的谐波转矩称为纹波 转矩。永磁无刷直流电动机对外所呈现的转矩脉动是齿槽转矩和纹波转矩之和。 齿槽转矩与电机本体结构密切相关，通过调整磁钢的宽度，分数槽或采用定子斜 槽、转子错极的方法可以充分抑制齿槽转矩。本章主要分析了由于定子电流换相 不可能瞬间完成而产生的转矩脉动以及换相时各相定子电流的变化，并分析了各 种调制方式对转矩脉动和定子电流的影响。其中重点对各种调制方式对转矩脉动 和定子电流的影响进行了详细分析。 3 1 理想反电动势下换相转铒脉动分析 采用三相六状态1 2 0 0 导通方式控制时，每一瞬间有两个功率管导通，每隔 1 6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，每次换相一个功率管，不同桥臂之间左右换相， 每个功率管导通l 3 周期( 1 2 0 。电角度) 。一个周期内逆变器各个功率管的导通顺 序为瓦互，五t ，瓦l ，毛瓦，t 瓦，瓦瓦，当反屯动势为具有1 2 0 。电角度平顶宽度的 理想梯形波时，根据最佳换相逻辑，可得出六个导通区间及换相时刻的三相反电 动势相位关系如图3 1 所示。 0 e c 6 1 1 2 ：2 33 4 ：4 5 5 6 h，、， ； l 出 i ， iili ! |r o d 3 0 。9 0 。l l 5 0 2 1 0 0 2 7 0 。：3 0 。 出 l _ a i 甜 ar 1 4f 、1 b ( 、ba1 r4 幽3 1 三相反电动势波形及导通相位幽 第3 章无刷直流电机转矩脉动控制策略分析 无刷直流电动机的电路结构如图3 2 所示，图中为直流母线电压，0 为 直流母线电压中点，此处设为参考地，v 为电机三相绕组中点，三相电流和反 电动势的正方向如图所示。 图3 2 无刷直流电机的电路结构 3 1 1 下桥换相时换相转矩b d 劫分析 b l d c m 首先分析在理想梯形波反电动势下，由于相电感的存在，造成电流上升下降 需要一定时间，从而引起换相转矩脉动。以1 - 6 区间换相到1 2 区间为例，换相 前，功率管z 瓦导通，a 、b 两相绕组通电，当瓦关断，e 开通时，b 相绕组向 上续流，c 相绕组开通，a 相绕组继续导通，设功率管互和e 分别进行p w m 斩 波调制，则根据图3 2 可写出换相时刻三相绕组的电压平衡方程5 1 6 1 为： 。 2 。 。 。 矿。 ( 其中一互1v 。吃墨；t 一互lv 。屹互lv 。) ( 3 1 ) 式中，v k o = ( s 。一蟛) 为a 相绕组对直流母线中点( 参考地) 之间的端电压， s 。为功率管_ 的p w m 靳波控制开关函数，当s 。= 1 表示一开通，a 相绕组接到 母线电压正端，s 。= 0 表示正关断，a 相绕组经续流二极管接母线电压负端。 v 。= 一( s 。一) 矿。为c 相绕组对直流母线中点之间的端电压，s c 为功率管瓦 的p w m 斩波控制开关函数，当s c = 1 表示瓦开通，c 相绕组接到母线电压正端， s ，：0 表示己关断，c 相绕组经续流二极管接母线电压负端。根据p w m 调制方 + 1lllj 口 6 c p p p r。l 1j k屯0 r。，l1，0j 村 o o l m o o l m 一0 0 。，l p + ，_，_j k0 。l 1，j o o r 0 r 0 r o o r。l i i 第3 章无刷直流电机转矩脉动控制策略分析 式的不同，邑和