（电力系统及其自动化专业论文）电动汽车用永磁无刷直流轮毂电机控制器设计.pdf

s u b j e c t：d e s i g n o fp e r m a n e n t m a g n e t i c b l i ) ci n - w h e e lm o t o r c o j l t r o l l e rf o re l e e t r i ev e h i e l e s p e c i a l t y ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n n a m e ：w a u g q i u y a n i n s t r u e t o i ：l f n z h o u x i n g a b s t r a c t $ 吨船帆峙警于一 e l e c t r i c a lv e h i c l e ( e v ) i sa ni m p o r t a n tt r e n do f t h ev e h i c l ei nt h ea u t o m o b i l ei n d u s l r yi n t h ew o r l d e l e c t r i cv e h m eh a sn op o l l u t i o n i t 啪b es u p p l i e dw i t hs e v e r a lk i n d so fe n e r g y a l s oi t se n c g ye f f i c i e n ti sl l i g kt h e s e 粼l v a n t a g e sc a ns o l v eas e r i e so f p r o b l e m s , s u c h 罄 e n c l g ya n dp o l l u t i o nt h a tm a d eb yt r a d i t i o n a lv c h i e l e s o ，m o l ea n dm o l e 趣戳锄h i n g o r g a n i z a t i o nr e c o g n i z e dt h ei m p o r t a n c eo f e v t h er e s e a r c ho f e vt e c h n o l o g yh a s j u s tb e g u n i no u rc o u n t r y a l lt h ek e yt e c h n o l o g yn e e d st ob es o l v e d m o t o ra n di t sc o n t r o lt e e l m o l o g yi s o n eo f t h em o s ti m p o r t a n tt e e i m o l o g i e st h a tm u s tb es o l v e df i r s t l y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n l a o d u e e dt h es t a t u so f e vi n v e s t i g a t i o na n dd e v e l o p m e n t c o m r 舳x t w i t hs e v e r a lt y p e so f m o t o r sw h i c hu s e df o re vi t 啪b ef o u n dt h a tt h ep e r m a n e n tm a g n e t i c b l d ci n - w h e e lm o t o ri so n eo ft h eb e s td r i v em o l o t sf o re v a n dt h i sm o t o rh a sg o o d f o r e g r o u n d i nt h es e c o n dc h s p t c rt h et h e o r ya n dm a t hm o d e lo fb l d c mi si n t r o d u c d l a n d t h ek e yp r o b l e m so fd r i v ea n dc o n t r o lo fb l d c mi se x p a t i a t e d , a n dr a t i o n a lp r o j e c ti s p r o p o s e d 7 ，s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h e l i l o t o c o n t r o ls y s t e m b r i n go u tt h ec l o s e - l o o p 印髓dc o n t r o ls t r a t e g yt h a ti n d i r e c t l ym e a s r i n gt h es p e e do ft h e m o t o rb yu s i n gt h er o t o rp o s i t i o ns e n s o r b yw r i t i n gs o t t w a r ep r o g r a m m et h es y s t e ma c h i e v e d t h es p e e da d j u s t m e n ta n dt h ed o s e - l o o ps l , c e dc o n t r o lw h i c he i i s u i et h ea c c u r a c yo fs p e e d a d j u s t m e n ta n dc o n t r 0 1 + 。t h i r d l y , t h ep a p e rp r e s e n t sr e s e a r c hw o r ko nb l d ci n - w h e e lm o t o r 叩l e e dc o n t r o l s t r a t e g y , w h i c hi n v o l v e sp w mm o d u l a t i o na n dc l o s e - l o o p 印l e c dc o n t r 0 1 t h ed u a lp d l 盯 d r i v i n gm e t h o df o rb l d c i n - w h e e lm o t o ri se m p h a s i z e d t h i sp r o p o m tm e t h o dc o u l dm a k e t h em a n e u v e r a b i l i t ya n d r e s p o n s eo f m o t o rb e t t e r , l a s t l y , o n t h eb a s i so ft h ef o r e g o i n gd i 雄胞娼，i nt h ef i f t he h a p t e fs o m ee x p e r i m e n t s r e s u l t sa r eg i v e na n da l s ot h er e s u l t sa n a l y s i si si n c l u d e d , t h ev a l i d i t yo fc o n t r o lm e t h o d p r e s e n t e di nt h ep a p e r i sv e r i f i e d k e yw o r d s ：e l e c t r i c v e h i c l eb l d ci n - w h e e lm o t o rd s p i c 3 0 f 6 0 1 0c o n t r o l 压妥料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所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做了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：王军# 翻b i l l ：，7 妒j o 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版本人允许论文被查阅和借阅学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名矗爷1 指导教师签名：冰 0 7 年午月k 日 1 绪论 1 1 研究背景及选题意义 l 绪论 目前，全世界燃油汽车约7 亿辆，年消耗燃油约7 亿吨，排放的有害物质超过2 亿吨， 占大气污染总数的6 0 以上【l 心，汽车尾气污染日益严重。同时；全球正在面临着能源 短缺的危机。这些，对燃油汽车工业的发展都提出了极为严峻的挑战。为了汽车工业能 够可持续发展，伴随着电机制造技术、微电子技术、电力电子技术和电机控制技术的发 展及完善，全球范围内出现了电动汽车研究开发的热潮。 电动汽车诞生于1 9 世纪，作为机械、电子、能源、计算机、汽车、信息技术等多种 技术的集成，是典型的高新技术产品【4 】。电动汽车按动力源划分为三大类【5 l ：纯电动汽 车e v ( e l c c t r i cv e h h i c l e ) 、混合动力电动汽车h e y ( h y b r i de l e c t r i cv e h h i c l e ) 和燃料电池电 动汽车f c e v ( f u e lc e l le l e c t r i cv e h h i c l e ) 。 电动汽车根据电动机驱动车轮方式的不同，可以分为集中电机驱动型式与轮毂电机 驱动型式。( 1 ) 集中电机驱动型式，通过电机驱动传动轴，将动力传递至驱动轮，从 而驱动车辆。这种驱动型式需要传动轴、减速器等部件，结构复杂，效率低；( 2 ) 电 动轮驱动型式( 轮毂电机) ，则采用两四个轮边电机独立驱动控制，即轮边使用共同独立 控制的电机驱动。电动轮驱动型式，因其简洁的整车结构、高效传动，以及能分别、直 接控制各电动轮，成为电动汽车发展的一个独特方向1 6 j 。 本课题以当今电动车的研究热点四电动轮独立驱动轮驱电动车为研究对象，立 足于轮毂电机控制器的研究。设计了基于d s p i c 3 0 f 6 0 1 0 的电动轮双极性驱动控制系统。 本课题面向社会与新技术的发展需求，涉及电机、控制理论、电力电子等众多学科与工 程技术领域，对于进一步研究开发电动车新技术，具有现实的学术和工程意义。 1 2 轮毂电机及其控制系统发展现状 1 2 1 轮毂电机及国内外发展现状 目前，电动汽车用电动机主要有直流电动机( d c m ) 、感应电动机( d 订) 、永磁 无刷直流电动机( p m b l d c m ) 和开关磁阻电动机( s r m ) 4 类【7 删。 永磁无刷直流电机是一种高性能电机，具有高的“功率债量”比，比其它类型的电机 有更高的效率和转矩。具有与直流电动机类似的外特性，但没有换向器和电刷组成的机 械换向结构，采用永磁体转子，没有励磁损耗，具有高的能量密度和效率，非常适合电动 车的运行特性，成为直接轮式驱动电动汽车较为理想的驱动电机例 西安科技大学硕士学位论文 电动汽车用电机及驱动系统的性能比较如表1 1 所示。 表1 1 电动汽车用电机及驱动系统的性能比较 从表1 1 可见，永磁无刷直流电机起动转矩大、功率密度高、调速性能好、体积小、 效率高，其综合性能指标最高。 ， r 永磁无刷直流轮毂电机根据转子在电机结构中所处的位置不同，可以分为两种结构 型式：高速内转子式和低速外转子式【1 1 1 】，如图1 2 所示。 一 ( 8 ) 内转子电机( b ) 外转子电机 图1 2 永磁轮式电机 高速内转子电机的结构与传统的无刷直流电机基本相同，但必须安装固定速比的减 速器与车轮相连。高速内转子电机具有体积小、重量小和成本低的优点，具有比较高的 2 1 绪论 功率密度，但是需要加行星齿轮变速机构。低速外转子电机的永磁转子直接安装在车轮 轮辋上，这样电机转速和车轮转速相等，因而不需要变速装置。低速外转子电机虽然体 积大、重量大、成本高，但是它的结构简单，无需齿轮变速传动机构，这样就可以平衡 整个驱动系统的重量和功率密度。 轮毂电机将电动机安装在车轮的轮毂内，电机转子的输出转矩直接传输到地面，既 提高了车体空间的利用率，又舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥等机械传统部件， 使整车重量减轻，降低了机械传动损耗，提高了整车的运行效率，从结构上提高了电动 汽车的性能【1 2 1 。同时，轮毂电机技术可在各车轮之间灵活地分配动力，可以对每个车轮 实施单独控制。可见，电动汽车的发展方向中，轮驱方式无疑将是一种很有前途的结构 形式，因此轮毂电机是电动汽车应用的必然1 1 3 1 1 4 1 嗍。 ， 基于轮毂电机特点及从发展的角度出发，本文选取外转子式永磁无刷直流轮毂电机 作为控制电机，由于各种条件限制，本文采用的电机是摩托车轮毂电机，安装方式为双 叉式。图1 3 所示为本设计所采用的轮毂电机外形，其电机参数如下： ，额定电压：7 2 v ( 直流) ； 额定电流：1 0 a ： 额定功率：7 0 0 w ； 额定转矩：8 4 n m ； 额定转速：8 0 0 r m i a ； 车轮直径；4 1 0 r a m ： 转子磁极对数：8 。 图1 3 轮毅电机外形 目前，国外一体化电动轮的研究主要以日本为主。日本庆应义塾大学环境信息学部 清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的十几年中，一直以轮毂电机型电动汽车为 3 西安科技大学硕士学位论文 理想的研发目标，至今已试制了5 种不同型式的样车。法国t m 4 公司所设计的一体化 电动轮结构型式，采用外转子式永磁电动机，将电动机转子外壳直接与轮辋相连，作为车 轮的组成部分。该电动轮系统的永磁无刷直流电动机性能较高，其峰值功率可达到 8 0 k w ，峰值扭矩为6 7 0 n m ，最高转速为1 3 8 5 r m i n ，额定功率为1 8 5 k w ，额定转速为 9 5 0 r r a i n ，额定工况下的平均效率可达到9 6 3 1 。 随着国家8 6 3 计划电动汽车重大课题研究的深入，以及对电动轮驱动系统认识的 加深，国家对该类新型驱动系统的研究也有所加强。同济大学汽车学院在2 0 0 2 年、2 0 0 3 年分别推出了独立研制的采用电动轮驱动系统的4 轮驱动燃料电池微型电动汽车动力平 台“春晖一号”和“春晖二号”，两者均采用4 个低速永磁直流无刷轮毂电动机直接驱动，并 匹配相应的盘式制动器。2 0 0 5 年在上海工博会上又展出了“春晖三号”。哈尔滨工业大学 一爱英斯电动汽车研究所研制开发的e v 9 6 一l 型电动汽车也采用了电动轮驱动系统，该 电动轮选用一种称为“多态电动机的永磁式电动机，它兼有同步电动机和异步电动机 的双重特性，其额定功率为6 8 k w ，峰值功率为1 5 k w ，采用风冷散热系统以及盘式制动 器，是一种典型的外转子型电动轮结构型式【1 7 1 。 1 2 2 轮毂电机驱动系统的研究现状 现代电动汽车常用的驱动系统根据驱动电机类别分为：直流电机驱动系统和交流电 机驱动系统【1 趼1 9 1 。早期电动汽车驱动系统多采用直流电机驱动系统，但因其自身不可克 服的缺点而受到限制。 目前，在电动汽车上已采用的交流电机驱动系统有交流异步电机驱动系统、无刷直流 电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统刚 。( 1 ) 交流异步电机驱动系统由交流异步电动机、驱动控制器和速度传感器等组成。 交流异步电动机的转子为笼型结构，定予嵌有三相绕组。这种结构简单牢固，适于高速 旋转。免维护。成本低。但异步电动机的转矩控制要比直流电动机困难得多。 ( 2 ) 无刷直流电机驱动系统中的无刷直流电动机由永磁同步电动机和转子位置传 感器组成。永磁同步电动机结构简单，其中尤以外转子结构极具特色，将其嵌装在电动 汽车车轮轮毂内，既可实现直接驱动轮驱。轮驱要用多台电动机，但取消了传动系 部件，使整车结构大为简化，质量大为减轻，且无机械磨损和噪声，提高了车辆运行效 率和使用效益，降低了成本，提高了可靠性。 ( 3 ) 开关磁阻电机驱动系统由开关磁阻电动机、转子位置传感器和驱动控制器三 部分组成。开关磁阻电动机结构简单坚固，适于高速旋转，免维护，成本低，但是由于开 关磁阻电机具有高度的非线性，因此它的驱动系统较复杂。该驱动系统不足之处在于振 动较大，噪声亦较大。 本文根据电机及其驱动系统特点，选择无刷直流电机驱动系统。 4 l 绪论 从发展趋势来看，以数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i n g a lp r o c e s s o r ) 为核心的控制 电路将代表无刷直流电机电子换向控制器的发展方向。高性能的数字信号处理器不仅具 有高速信号处理和数字控制所必需的体系结构特点，而且外设丰富。这些都为无刷直流 电机的控制带来了极大的方便。在控制算法方面，无刷直流电机是一个多变量、非线性、 强耦合的对象，因此利用p d 控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家系统 等智能控制来进行无刷直流电机的控制是一种有效的手段1 2 i l 。 大量国内外文献 2 2 2 3 2 4 1 介绍的基于d s p 的无刷直流电机控制驱动器的研究设 计，尤其是无刷直流轮毂电机在电动轮椅车和电动汽车中应用，充分证明了无刷直流电 机及其控制驱动系统的快速发展。 1 3 本论文研究的主要内容及工作 ， ( 1 ) 研究内容 阐述并分析永磁无刷直流电机的基本结构、运行原理和数学模型。 研究无刷直流轮毂电机控制系统的控制方式和控制策略，并确定电机控制系统的控 制方式和控制策略，是研究的主要方面。 系统硬件电路设计，包括核心控制芯片的选择；驱动电路和功率变换电路的设计； 外围电路的设计；各功能模块的软件设计、系统抗干扰设计等。 ( 2 ) 主要工作 分析电动汽车用电机的特点，选定轮毂式无刷直流电机。通过分析直流无刷轮毂 电机的运行原理及数学模型，确定系统的控制方案、控制策略。 从性能和实用性角度出发，以数字信号处理器为核心，按照模块化设计思想，研 制基于d s p i c 3 0 f 6 0 l o 的主控电路及外围硬件电路，完成无刷直流轮毂电机控制系统的 硬件电路设计。 在已设计硬件电路的基础上编写控制系统软件程序，实现系统正常运行。 对本系统进行了抗干扰分析和设计，从硬件和软件两方面，提出了一些减小干扰 的具体措施和方法。 对所设计的系统进行实验、调试，给出电机调速系统实际运行结果，对得到的控 制结果进行分析。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 无刷直流轮毂电机及其控制策略 2 1 无刷直流电机的基本结构 无刷直流电机( b l d c m ) 又名自控式同步电机，实质上可看作是一台用电子换相 装置取代机械换相的直流电机。就其基本结构而言，可以认为是一台由控制器、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” a l 。 ( 1 ) 电机本体。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，其定子绕组一般制 成多相( - - 相、四相、五相不等) ，转子由永久磁钢按一定极对数( 2 p - - - 2 a ，) 组成。 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互相作用而产 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，去控制电子换 向线路，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而按一定 的次序换相。由于电子换向线路的导通次序是与转予转角同步的，因而起到了机械电刷 和换向器的换向作用。 ( 2 ) 位置传感器。在无刷直流电机中，位置传感器是检测转子磁场相对于定子绕 组的位置，为电子换向线路提供正确的换相信息。目前，b u ) c m 系统的位置传感器多 为电磁式、光电式和磁敏式。也有少数用正余弦旋转变压器和编码器等作为位置传感器， 但这些元件成本较高、体积较大、配套线路复杂，一般用在精度要求较高的无刷直流电 机中。 ， 。 电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置，有开口变压器、铁磁谐振电路、 接近开关电路等多种类型。具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、 适应性强、结构简单和紧凑等优点，但这种传感器体积较大，同时其输出波形为交流， 一般需要经整流、滤波方可使用。 光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定不动 的光敏晶体等部件组成。它具有定位精度高、性能稳定、价格便宜、易加工等特点，但 对恶劣环境的适应能力较差，输出信号需经过整形电路处理。 磁敏式位置传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变 化而变化的原理制成。其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前，常见的磁敏传感器有 霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器和磁敏二极管等。一般说来，它对环境适应能力 较强，输出信号沿好，成本低廉，但精度不高。 ( 3 ) 控制器。控制器包括控制电路、驱动电路和功率变换电路，主要完成两个功 能，即实现换相逻辑和逆变驱动。控制电路实现定子电枢电流的换相，使得永磁无刷直 流电机的转子所受的电磁力保持一致，产生恒定的转矩，实现机电能量转换。与一般的 6 2 无刷直流轮毂电机及其控制策略 控制器不同，永磁无刷直流电机的控制器输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位 置信号，是一个“自控式逆变器”永磁无刷直流电机( b l d c m ) 由于采用了自控式逆 变器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和控制器输出之间不会产生 振荡和失步，这也是b l d c m 的重要优点之一。 根据无刷直流电机基本结构，本文所采用的b l i p m 组成如图2 1 所示。 刮刮刮 a ! 蹴 一一 i l i d 髟f b t 转子岱 控l | 驱动电路! 县僖j 制 t闻圆? r 器 i ，幽f 由c l 盘 j _ l 。v 1 电oi 图2 1 无刷直流电机结构原理图 无刷直流电机三相定子绕组分别与电子换向线路中的三相逆变电路联接；位置信号 传感器安装在定子上，用来检测转子的位置，给电子换向器提供换相信号。电子换向线 路用来控制电机定子上各相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( 控制单元) 两个部分组成。功率逻辑开关单元的功能是将电源的功 率以一定逻辑关系分配给无刷直流电机定子各相绕组，以便使电机产生持续不断的转 矩；各相绕组导通的顺序和时间主要取决于位置传感器的转子位置信号。 2 2 无刷直流电机的工作原理 在无刷直流电机中，借助反映转子位置的位置传感器输出信号，通过电子换相电路 驱动与电枢绕组连接的相应功率开关管，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，吸引永 磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断送出变化的位置信号，改变电枢绕组的 通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机 的无接触式换流过程的实质网。 下面将结合本文采用的两相导通三相六拍运行方式无刷直流电动机的工作原理进 行具体的分析，其电路图如图2 2 所示。 7 西安科技大学硕士学位论文 币= 追 、币： pt l l 唧j 9 逛心 + j d ! e 币2 追追 ( 1 叫巴 图2 2 三相全控桥式电路 两相导通三相六拍方式是指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，每一功率管导通1 2 0 。电角度。其工作原理如图2 - 3 所 示。 b o a c a c ( a ) a 相正向通电，b 相反向通电( b ) 转过6 0 0 ( c ) 继续旋转( d ) a 相正向通电，c 相反向通电 图2 3 永磁无刷直流电机工作原理图。 假设当转子位于图2 3 ( a ) 所示位置时为o o ，转子位置传感器输出的磁极位置信号， 经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使图2 2 中的功率开关管t l 、t 6 导通，即绕组a 相正向通电、b 相反向通电，a 进b 出，c 相不通电。此时定转子磁场相互作用拖动转 子顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极+ t l 管叫相绕组+ b 相绕组一t 6 管一 电源负极。当转子转过6 0 。电角度，达到图2 3 ( b ) 中位置时，如果转子继续转下去就 8 2 无刷直流轮毂电机及其控制策略 进入2 3 ( c ) 所示的位置，这样就会使同一磁极下的电枢绕组中有部分导体的电流方向 不一致，它们相互抵消，消弱磁场，使电磁转矩减小。因此，为了避免出现这样的结果， 当转子转到图2 3 ( b ) 的位置时，必须换相，使b 相断电，c 相反向通电，即转子转到 图2 3 ( d ) 。这时位置传感器输出新的信号，经逻辑变换后使开关管t 6 截止，t 2 导通， t l 仍导通。则绕组a 、c 通电，a 进c 出。此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时 针方向转动。电流流通路径为：电源正极一t l 管一a 相绕组- - , c 相绕组一t 2 管一电源负 极，依次类推。当转子继续沿顺时针每转过6 0 。电角度，功率开关管的导通顺序为 t l t 6 t l t 2 一t 3 t 2 一t 3 t 4 一t 5 t 4 一t 5 t 6 。则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿 顺时针方向连续转动。以此类推下去，可得电机转一周时对应的功率开关管的导通逻辑 和三个霍尔元件输出信号的逻辑关系，如表2 1 所示。 表2 1 功率开关管的导通逻辑和霍尔输出信号的逻辑关系 假设以上为直流无刷电机顺时针旋转，那么电动机的逆时针旋转控制，对于单极性 p w m 控制只要改变下三相方波的通电顺序，即对应予同样的位置检测信号，只要按 反方向的时序控制逆变器的六个功率管通断；对于双极性p w m 控制则只需改变p w m 的占空比即可。这样，磁场的运动方向就和顺时针旋转时相反，电机逆时针旋转。 2 3 无刷直流电机的数学模型 2 3 1 电压方程和转矩方程 要十分精确的分析直流无刷电动机的运行特性，是很困难的。它涉及非线性理论及 数值解法等诸多问题，一般工程应用中尚无此必要，故一般作如下假设圈： ( 1 ) 电动机的气隙磁感应强度沿气隙按正弦分布； ( 2 ) 绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计； ( 3 ) 控制电路在开关状态下工作，功率开关管压降a u ，为恒值； ( 4 ) 各项绕组对称，其对应的电路单元完全一致，相应的电气时间常数忽略不计。 永磁无刷直流电机的电压方程； 9 ， e ； = 压；习医 + 妻兰錾 p 睦 + 三； 1 c 2 ， 式中雄。、。一定予相绕组电压( v ) 。 p 一微分算子p = 。 塞 = i ；习臣 + 工工三m 工蔓 _ 1 + 匿 c 2 4 ， 图2 4 永磁直流无刷电机等效电路图 无刷直流电动机的电磁转矩方程为： ：丛丛立堕兰趔 ( 2 5 ) 。 国 式中 国一电机的角速度。 p _ 电机的极对数 1 0 2 无刷直流轮毂电机及其控制策略 在忽略转动时粘滞系数的假设下，无刷电机的运动方程可写为： 疋= 瓦“警 ( 2 6 ) 式中l 一电机的负载转矩； ，一电机的转动惯量。 2 3 2 状态方程和传递函数 由式( 2 4 ) 可得电机的状态方程为t 骨 一m o o o 一m o o o 一mx | ! 眨7 ， 在2 3 1 中假定条件不变的情况下，无刷直流电机的动态特性可由下列方程组来描 写： ， u = e + 腰 ( 2 8 ) r o = k r j ( 2 9 ) 。 艺一瓦= 丽g d 2 石d n ( 2 1 0 ) e = 疋一 ( 2 1 1 ) 式中死一电机的负载转矩； 。g d 2 一电机转子飞轮力矩( n 辨2 ) ，g d 2 = 4 m ( j 为转动惯量) ； 。k r 一转矩系数，k r = ； 墨一电动势系数，墨= 。 经拉氏变换后，可得： u ( 力= e o ( s ) + e d ( s ) ( 2 1 2 ) 瓦o ) = k r ，( 力 ( 2 1 3 ) t o ( s ) 硼砂= 罢s n ( s ) 。 ( 2 1 4 ) 乜( s ) = e 疗( d ， ( 2 1 5 ) 根据方程式( 2 1 3 ) 可求得无刷直流电机动态结构图，如图2 5 所示 西安科技大学硕士学住论文 i i _ - i i e j ；i i i i j | i _ i _ _ _ _ _ 图2 5 无刷直流电机动态结构图 由无刷直流电机动态结构图可求得其传递函数为： 出) = 南u g ) 一去瓦g ) ( 2 1 6 ) 式中蜀一电动势传递系数，k i2 夕乏； 局一转矩传递系数，马2 乡乏k r ； t 一电磁时间常数，乙= 胄g ? 名7 5 疋置，) 2无刷直流轮毂电机控制策略14 2 4 1 电机p w m 脉宽调制 电机在某些场合往往要求转速能够在一定范围内调节，调速范围则根据负载的要求 而定，对于无刷直流电机，其调速控制特性如下： ，弗：掣 旺 弗= _ = - - 三 l z 1 ，j 式中以一电枢电压( v ) ； l 一电枢电流( a ) ； 。 也一电枢内阻( q ) ； 疋一电动势系数，丘= 由式( 2 1 7 ) 可知，直流无刷电机的调速方法可分为两类：对磁通m 进行控制的励 磁控制法和对电枢电压虬进行控制的电枢电压控制法【7 】嘲 励磁控制法是在电动机的电枢电压保持不变时，通过调整励磁电流来改变励磁磁 通，从而实现调速。这种调速方法，调速范围小，在低速时受磁极饱和的限制，并且励 磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用的很少。电枢电压控制法是在保 2 无刷直流轮毂电机及其控制策略 持励磁磁通不变的情况下，通过调整电枢电压实现调速。电枢电压控制法在调速时，保 持电枢电流不变，即保持电动机的输出转矩不变，可以得到具有恒转矩特性的大的调速 范围，因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。 ， p w m ( p i l l w i d t hm o d u l a t i o n ) 调制，又称脉冲宽度调制方式，是指通过改变输入 脉冲的有效工作时间，来改变电枢电压，调节电机转速的方式。其原理图如图2 6 所示。 u s u d t 一 t 图2 6 脉宽调制调速系统原理图 ” 图2 6 ( a ) 是脉宽调制调速系统原理示意图。虚线框内的开关s 表示脉宽调制器， 调速系统的外加电源电压u s 为固定的直流电压，当开关s 闭合时，直流电流经过s 给 电动机m 供电；开关s 打开时，直流电源供给m 的电流被切断，并通过二极管续流， 电枢两端电压接近为零。控制脉冲宽度相应改变，从而改变了电机绕组输入端平均电压， 达到调速目的。脉冲波形见图2 6 ( b ) ，其平均电压为： 。 u d = 亭j 醵出= t 7 - u s - = p u $ 。 ( 2 1 8 ) 。 式中r 一脉冲时钟； 乙一导通时间； ，p = 导一p w m 电压的占空比( 0 蔓p 蔓1 ) 。 可见，在电源与p w m 波的周期t 固定的条件下，可随p 的改变而平滑调 节，从而实现电动机的平滑调速。 本文采用电枢电压控制法，即通过调节逆变器功率器件p w m 脉冲信号的占空比来 改变绕组平均电压，从而实现无刷直流轮毂电机的调速。 2 4 2 电机控制策略 目前，对电机的控制主要采用两种方式：速度单闭环和速度、电流双闭环控制。本 文采用速度单闭环控制。首先，电机位置传感器检测得到转子当前的位置，决定当前时 刻驱动桥的导通状态，并通过软件在c n 中断计算电机实际转速，作为速度反馈值。其 次，速度调节器依据转速给定值和转速反馈值，进行速度闭环控制。速度调节器的输出 值更新p w m 占空比，从而调节功率开关管的导通时间，实现无刷直流电机的控制。图 1 3 西安科技大学硕士擘住论文 2 7 为本文所采用的直流无刷电机单闭环控制框图。 j ，l 型坠骂岳小丙鬲卜+ 厂i i _ ；画磊卜l 高一 l _ jl _ j l 一 图2 7 直流无刷电机单闭环控制框图 在控制算法方面，随着控制理论的发展，各种现代控制技术如神经网络控制、变结 构控制、模糊控制、专家系统、遗传算法等得到了很大的发展和应用，但是这些智能控 制理论主要还是用于科学研究，在工程实际中得到最广泛应用的还是p i d 控制技术。 p i d 控制是比例( p r o p o r t i o n a l ) - 积分( i i i c e g r a l ) - 微分( d i f f d - e n t i a l ) 控制的缩写， 是经典控制理论中技术最成熟、研究最广泛和应用最多的一种控制方式网。 比例函数的作用是使输出能够尽快地跟随输入指令的变化，但是比例系数过大会造 成系统超调振荡，甚至导致系统不稳定；若比例系数取的过小，可以减小系统的超调量， 增大稳定裕度，但会降低系统的调节精度，使过渡时间延长。 积分的作用在于消除系统的稳态误差，但它有滞后现象，使系统的响应速度变慢， 超调量变大，并可能产生振荡。加大积分系数有利于减小系统的静差，但过强的积分作 用会使超调增大。通常在调节过程的初级阶段，为防止由于某些因素引起的饱和，以及 非线性等影响造成的积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调量，积分系数应该取 得小一些，在响应过程的中期，为避免对动态稳定性造成的不利影响，积分作用应该适 中；在过渡过程后期，应该取较大的积分系数以减小系统静差，提高调节精度，消除系 统的稳态误差。 微分能够反应系统的变化趋势，改善系统的动态特性，适当选取微分环节，可以减 小系统的超调，增加系统的稳定性，但是过大的微分系数会导致响应过程提前制动，从 而延长调节时间，而且对变化的过于敏感使系统的抗干扰性能变差。 在实际使用中，可以根据控制对象的特性和控制要求，对比例、积分和微分环节进 行取舍，构成不同的控制环节如p i 控制、p d 控制、p i d 控制等。 计算机控制是一种采样控制，将模拟系统下的p i d 算法表达式离散化处理后，可以 得到两种不同的p i d 离散数字化算法阎： 土 以七) = 耳e ( 后) + 蜀e + j ，d f 联d e ( k 1 ) 】 ( 2 1 9 ) p ( 七) = p ( 膏一1 ) + x j e ( k ) - e ( k 1 ) 】+ 蜀e ( 七) + 【e ( 七) 一2 昱( i 一1 ) + 层( _ i 一2 ) 1 ( 2 2 0 ) 式中 b 一比例系数； 足，一积分系数； 1 4 2 无刷直流轮毂电机及其控制策略 x 。微分系数； e ( 七) 第k 次采样时的偏差值，k = o ，l ，2 ； 尸( j ) 第k 次采样时调节器的输出。 式( 2 1 9 ) 称为绝对位置控制算法，式( 2 2 0 ) 称为增量式p i d 控制算法。绝对位 置式控制算法不仅包含本次与上次的偏差e ( 七) 和e ( 七一1 ) ，并且需要累加历次采样的偏 差值，这使得计算繁琐，且占用内存。因此，利用式( 2 1 9 ) 所示的p ( k ) 减去e ( k 1 ) 就 可以得到增量式p i d 控制算法式( 2 2 0 ) ，大大简化了控制程序的计算过程。故本文的 转速调节器采用增量式控制算法。 本文为了获得最佳的动态效果，实现无静差调速，速度调节采用p i 调节，即将微 分系数x 。设为零： p ( j ) = e ( k 1 ) + k a z ( 0 - e 【七一1 ) j + k t e ( k ) ( 2 2 1 ) p i d 三大参数的选择，直接影响到控制的效果。p i d 参数的整定方法很多，归纳起 来可以分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有z i e g l 【e r - n i c h o l s 法、对数频率特性法、跟轨迹法等0 0 1 ，这类整定法要求己知过程的数学模型，并且计算 繁琐，上作量大，可靠性不高，在现场使用中还需反复修正，因而在工程上用的不多。 工程整定法无需事先知道过程的数学模型【3 ”，直接在控制统中进行现场整定，方法简单， 易于掌握，目前比较常用的是所谓临界比例度法。在闭合的控制系统里，将调节器置于 纯比例作用下，从大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程，此时的 比例度称为临界比例度，相邻两个波峰的时间间隔，称为临界振荡周期。根据经验设定 比例系数为引起输出振荡所需值的一半，积分系数为等幅振荡的周期，微分系数为积分 系数的1 8 。 本文中是采用临界比例度法( 现场经验法) 进行p i 参数的整定。具体的做法是：首 先使积分系数k r = 0 ，消除积分控制作用，使比例系数肠由小到大逐渐调整，直至系统 处于临界稳定状态，此时的比例系数定义为k p l 然后令比例系数缩小到k e l 的5 6 左右， 再引入积分作用，使积分系数局由小到大调整，直至系统得到良好的动稳态特性。 2 4 3 电机控制方式 目前，常用的p w m 控制方式有单极性驱动和双极性驱动 7 1 1 9 1 ： ( 1 ) 单极性驱动方式 单极性驱动就是指在一个p w m 周期里，电动机电枢电压极性呈单一性( 或者正、 或者负) 变化。如图2 5 所示，当电流流向为1 1 a 雎t 6 时：a 相绕组正相导通，t 1 处 于开关工作状态；b 相绕组负相导通，t 6 处于开关工作状态；其他m o s f e t 均处于完 全关断状态。单极性工作时，工作的电枢绕组两端的平均电压如式( 2 1 8 ) 所示。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 玑= 亭i u s d t t r u s = s ( 2 ) 双极性驱动方式 双极性驱动是指在一个p w m 周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。如图2 2 所示，当电流流向为t 1 a b t 6 时：a 相绕组正向导通，t 1 ，t 4 处于开关工作状态，t l ， t 4 的p w m 逻辑方向相反：b 相绕组负向导通，1 3 ，t 6 处于开关工作状态，t 3 ，t 6 的 p w m 逻辑方向相反；其他m o s f e t 均处于完全关断状态。图2 8 为导通功率管t l ，1 4 的p w m 信号。 p w m ( t 1 ) p w m ( t 4 ) 厂 厂 厂 厂 厂 厂 图2 8 双极性a 相工作时t 1 、1 4 的p w m 信号 t l ，t 6 导通时，电枢绕组气b 电势从a 到b ，电势玑= j 1i u s d t = 等凡， 下一， t 4 ，t 3 导通时，电枢绕组a b 电势从b 到a ，电势= 孚u s = ( 1 一p ) 虬，因此双 ， 1 极性工作时，工作的电枢绕组两端的平均电压u d ： f t 一， = ( 等一半) = ( 2 p - i ) u s ， ( 2 2 2 ) 当p 5 0 时，玩 o ，电机正转；当p o 时，玩 t a m 即可，但不宜过大，否则会降低供电电源的利用率。 需要设置死区时间，是双极性驱动的不足之处。 根据直流电动机的转矩( 电流) 与转速的关系，可以做出一个电机运行象限表示图， 如图2 1 0 所示。双极性驱动能使电动机四象限运行，当电机在第二、第四象限工作时， 由于电机转矩与电机转速方向相反，电机处于能量的再生制动状态，所以双极性控制方 法能实现能量回馈。 转_ 速l l jl 、 t 。+ n+ t 。+ n 正转再生制动电燃8 0 转矩ti 一t 一n+ t 一n 电机反转反转再生制动 。 图2 1 0 电机运行四象限图 在双极性驱动时，电机的完全停止状态处于占空比为5 a 时，因此电机的正向转动 和反向转动只需调整占空比的值就可达到；而单极性控制时，电机的正反转实现需要通 过改变相同位置信号时绕组的导通顺序来实现。相对于双极性控制，单极性增加了电机 正反转切换时的复杂度 此外，双极性驱动方式低速时的高频振荡有利于消除负载的静摩擦，低速平稳性好 但在工作过程中，由于4 个开关管都处在开关状态，功率损耗较大，因此双极性驱动适 用于中小功率直流电机的控制。 、 综合以上几个因素，本文的永磁无刷直流轮毂电机采用双极性驱动方式。 1 7 西安科技大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章首先介绍了本文的控制对象电动汽车用轮毂型无刷直流电动机，主要是从 其结构、系统构成、工作原理、数学模型等几个方面进行了综合分析；然后根据分析结 果确定了本控制系统的控制方案：采用p w i v l 脉宽调制；速度单闭环的p i 调节控制策略； 双极性驱动控制方式。 1 8 3 轮觳电机控制系统硬件设计 3 轮毂电机控制系统硬件设计 3 1 控制系统硬件总体设计 控制系统硬件结构框图如图3 1 所示，主要包括供电电源、d s p 核心控制器、逆变 器及其驱动电路、电流检测电路、位置信号检测电路、保护电路，模拟量输入电路、开 关量输入输出电路等。 逆变电路 图3 。1 控制系统硬件结构框图 。 如图3 1 所示，系