（电机与电器专业论文）电动汽车用异步电机系统效率优化控制研究.pdf

电动汽车用异步电机系统效率优化控制研究 提过调制算法计算简便，无须添置新的硬件，就能够方便的与原有仅适合线性调制区 域使用的d s p 程序相兼容，算法非常适合电压型逆变器应用，特别适合供电电压波 动频繁以及由蓄电池供电的逆变器应用场合( 如纯电动汽车) 。 关键词：异步电机，效率优化控制，比例因子，模糊控制，s v p w m 过调制控制。 英文摘要 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m a s s i v ei n d u c t i o nm o t o r ( i m ) d r i v es y s t e m sa r ea p p l i e di nt h ei n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r e ，a n dt h e yc o n s u m em o r et h a n6 0 o ft h et o t a le n e r g yg e n e r a t e d g e n e r a l l y , t h e i mi sh i g h l ye f f i c i e n tw h e no p e r a t e du n d e rt h er a t e dc o n d i t i o n s b u tw i t ht h er a t e d c o n d i t i o n sc h a n g i n g ，t h ee f f i c i e n c yi sg r e a t l yr e d u c e d s oi ti si m p o r t a n tt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fe l e c t r i cd r i v e s ，m a i n l yf o rt w or e a s o n s ：e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i n g c o n s i d e r i n gt h ep e r f o r m a n c e so fm e d i u m ( a n ds u b - m e d i u m ) p o w e ri md r i v es y s t e m s a p p l i e di ne l e c t r i c a lv e h i c l e ( e v ) a n dt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fs v p w mi n v e r t e r , t h i s p a p e rp r o p o s e st w om e t h o d st or e a l i z et h ee f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o nc o n t r o l ，w h i c ha l et h e o p t i m i z a t i o no ft h ef u n d a m e n t a lm a g n e t i cf l u xa n dt h eo p t i m i z a t i o no fs v p w m t h e f o r m e rc a nb a l a n c et h em o t o rc o r el o s sa n dc o p p e rl o s si n d u c e db yt h ef u n d a m e n t a lv o l t a g e t h el a t t e rc a nm a k et h ei n v e r t e rr e d u c et h eh a r m o n i cv o l t a g eo u t p u t c o n s e q u e n t l y r e d u c i n gt h em o t o rc o r el o s sa n dc o p p e rl o s si n d u c e db yt h eh a r m o n i cv o l t a g e s t m sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： t h ei r o nl o s so fi m ，w h i c hi su s u a l l yi g n o r e di nm a t l a b s i m u l i n km a t h e m a t i c a l m o d e l ，i sv e r yi m p o r t a n tf o re f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o nc o n t r o l ，p r e c i s ev e c t o rc o n t r o la n d o t h e rr e l a t e ds i m u l a t i o ns t u d i e so fi m b a s e do nm a t h e m a t i c a la n a l y s e s t h i sp a p e rp r e s e n t s an e wi n d u c t i o nm o t o rm o d e li nt h ea ds t a t i o n a r yf r a m e ，i n c l u d i n gi r o nl o s s i no r d e rt o i n s u r et h es t a b i l i t yo fs i m u l a t i o n ，s u c hm o d e ld o e s n tu s et h ed i f f e r e n t i a lu n i t a l l p a r a m e t e r so ft h i sm o d e lc a nb eo b t a i n e db yc o n v e n t i o n a ll o c k e d r o t o ra n dn o - l o a dt e s t s t h em o d e lh a ss a t i s f i e dp r e c i s i o n ，a sw e l la sr e l i a b l ea n dp r a c t i c a b l ec h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h em a i ne f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e sa p p e a r i n g r e c e n t l yy e a r s ，a n dp r o p o s e san e wf u z z yl o g i cb a s e dh y b r i do n l i o nm i n i m u mi n p u tp o w e r s e a r c hc o n t r o ls t r a t e g y ( f l s c ) w h i c hm a k e sf u hu s eo ft h er e s u l t so fl o s sm o d e lc o n t r o l ( l m c ) a n ds e a r c hc o n t r o l ( s c ) u n l i k et h eo t h e rf u z z ym e t h o d st h a tn e e ds i m u l a t i o n c a l c u l a t i o nt og e tt h ec o e f f i c i e n t so ft h es c a l i n gf a c t o r s ，t h eg a i n sd e r i v a t i v em e t h o do ft h i s s t r a t e g yc a nm a k eo n l i n ec a l c u l a t i o nw i t hs i m p l ea n de f f e c t i v e m e a n w h i l e ，f o rt h ef i r s t t i m e ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h es y s t e m a t i cd e s i g nm e t h o d so fn e wf u z z ys e t sa n dm e m b e r s h i p f u n c t i o n s ( m f s ) ，w h i c hc a nm a k et h ec o n t r o ls y s t e mc o n v e r g ef a s tw i t ha v o i d i n gt h e o s c i l l a t i o na r o u n dt h eo p t i m u mf l u x 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h ev a l i d i t ya n d u s e f u l n e s so ft h ep r o p o s e dt e c h n i q u e s t h i sp a p e rc o m p r e h e n s i v e l yi n v e s t i g a t e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec a r d e rb a s e d p w m ( c b p w m ) a n ds p a c ev e c t o rp w m ( s v p w m ) w i t l lm a k i n gf u l l u s eo ft h e c b p w mr e s e a r c hr e s u l t s ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wd i s t r i b u t i o nm e t h o df o rz e r ov e c t o r a c t i n gt i m e ，w h i c hc a ny i e l d sd i f f e r e n ts v p w mm o d u l a t o r s w i t hl o w e ri n v e r t e r - h a r m o n i c - v o l t a g eo u t p u t f u r t h e r m o r e ，t h ec o n v e n t i o n a lo v e r m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sf o r s v p w mi n v e r t e r sn e e ds t o r el o t so fd a t ei nt h ec o n t r o l l e rb e f o r e h a n d ，w h i c hm a k e sah u g e 1 1 1 电动汽车朋异步电机系统效率优化控制研究 m e m o r yw h i l et h ec o n t r o lr e s o l u t i o ni sn o tp e r f e c t b a s e do na m p l i t u d ec o n t r o lo ft h e r e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o ra n dt h ev e r t e xv o l t a g ev e c t o r s ，t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e ld i g i t a l o v e r m o d u l a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yf o rs v p w mi n v e r t e r s ，w h i c hc a nm a n a g et h et r a n s i t i o n f r o mt h el i n e a rc o n t r o lr a n g et os i x - s t e po p e r a t i o ns m o o t h l y w i t ha v o i d i n gt h en e c e s s i t yo f t h es t o r e dd a t ai m p l e m e n t a t i o n ，t h i ss t r a t e g yi ss i m p l ea n dv e r ys u i t a b l ef o rp r a c t i c a ld i g i t a l i m p l e m e n t a t i o n t h em a t h e m a t i ca n a l y s e ss h o wt h a tt h eo u t p u tf u n d a m e n t a lv o l t a g e a m p l i t u d ei sl i n e a rp r o p o r t i o n a lt ot h em o d u l a t i o ni n d e x i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y s e s t h eh a r m o n i cc o m p o n e n t s ，a n dt h et o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( t h d ) o ft h eo u t p u tv o l t a g ei s c o m p a r e dw i t ht h a to fo t h e rs t r a t e g yt o o b o t hm a t ha n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，v e r i f y t h a tt h i ss t r a t e g yi sv e r yu s e f u lf o rt h ei n d u c t i o nm o t o rw i t ht h el i n e a rf u n d a m e n t a lv o l t a g e o u t p u tg a i n ，l o wt h da n ds i m p l ea p p l i c a t i o n t h ee x p e r i m e n t so ft h ef l s ce f f i c i e n c y o p t i m i z a t i o ns t r a t e g y , i m p l e m e n t i n go n t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 ad s pb a s e d1 8 k w 5 4 k wi md r i v ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，v e r i f yt h a t t h i s s t r a t e g yi sv e r yf a s ta n dh i g h l yp r e c i s e ，a n dc a nb ea p p l i e df o ra n ys t e a d ys t a t eo fi m s t h e s v p w mo v e r m o d u l a t i o ne x p e r i m e n t so n1 0 0 k w 1 6 0 k wi ma p p l i e di ne l e c t r i c a lv e h i c l e d r i v ed e m o n s t r a t et h a tt h i s s i m p l e a n de f f e c t i v ea l g o r i t h m ，w i t h o u ta n yh a r d w a r e r e q u i r e m e n t s ，i sc o m p a t i b l ew i t ht h en o r m a la l g o r i t h mp r a c t i c i n gi nt h el i n e a rm o d u l a t i o n r a n g e o t h e r w i s e ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a ts u c ho v e r m o d u l a t i o na l g o r i t h mi s v e r yf i t f o rt h es v p w m v o l t a g ei n v e r t e rc o n t r o l ，e s p e c i a l l yf i tf o r t h es o u r c ev o l t a g e c h a n g i n gf r e q u e n t l yo rb a t t e r y - f e di n v e r t e rs y s t e m ，s u c ha se l e c t r i c a lv e h i c l e k e yw o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ( i m ) ，e f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o nc o n t r o l ，s c a l i n gf a c t o r , f u z z y l o g i cc o n t r o l ，s v p w mo v e r m o d u l a t i o nc o n t r 0 1 i v 电动汽车用异步电机系统效率优化控制研究 主要符号对照表 尺，尺，尺。- 一定子、转子等效电阻和铁损等效电阻： ，三，乙一一一定子侧电感、转子侧电感和互感； 厶，厶定子侧漏感、转子侧漏感； ，f ，定子、转子电流； t 。，如- 静止坐标系下a ，p 轴定子电流； f ，。，如静止坐标系下a ，p 轴转子电流； 。，口静止坐标系下a ，p 轴铁损等效绕组电流； f 幻口，f 。口- 静止坐标系下q ，p 轴励磁电流； 匕，一- 一- 同步旋转坐标系下d ，q 轴定子参考给定电流； 乙，乙同步旋转坐标系下d ，q 轴定子优化参考给定电流； 0 ，- 同步旋转坐标系下d ，q 轴定子实际电流； 虬。，己么一一静止坐标系下c 【，p 轴定子电压； y ，。，虬口一一静止坐标系下a ，p 轴定子磁链； y ，口，y 啊一静止坐标系下q ，p 轴转子磁链； y 册口，口一静止坐标系下a ，p 轴励磁磁链； 吃，国，- 转子磁场同步旋转速度和转子电角速度； 瓦，疋一负载转矩，电磁转矩； 门。，电机极对数，机组转动惯量。 下标a 、d 代表静止坐标系上的两相分量； 下标j 、厂代表定转子； 上标木代表变量给定值。 v i i i 电动汽车用异步电机系统效率优化控制研究 论文答辩说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得中国 科学院电工研究所或其他研究教育机构的学位论文所使用过的材料。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。 签名：毯垂鱼日期：边笸垒! 旦蜩 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留、使用学位论文的规 定，即：电工研究所有权保留并送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅，电工研究所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。( 保密的论文在解码后也遵循此规定) 进日期：磁! 塑! ! 罗 第一章异步电机驱动系统效率优化控制研究综述 第一章异步电机驱动系统效率优化控制研究综述 电动机作为提供旋转运动的主要动力，在现代工业中起着基础作用，是工农业生 产及其日常生活中耗电量最多的一种电气设备，其中异步电机应用最为广泛。据统计 资料显示，在工矿企业中所使用的异步电机，包括3 8 0 v 6 6 0 v 低压电机和3 k v 6 k v 中压电机，其总用电量占全国工业用电量的6 0 以上，它们拖动着9 0 以上以电为 能源的运动机械，但是其中有相当数量的电机还处于非经济运行状态，白白地浪费掉 大量的电能。因此，研究异步电机驱动系统的节能措施，提高其运行效率，对节约能 源有重要的现实意义。 1 1 课题背景 1 1 1 异步电机应用现状 理论和实践已经证明异步电机的效率与负载率密切相关，在异步电机的实际运用 中，由于电机产品容量的不连续性、安全系数选择过高等因素，使电机的额定功率总 是超过最大可能的峰值负载功率约3 0 。而峰值负载所持续的时间又往往远小于总运 行时间，因此，“大马拉小车”的现象十分普遍。许多负载，如压缩机、真空机械等， 一旦压力达到规定值后，电机只需提供很小的机械功率即能维持系统稳定运行。此外， 诸如排风扇和水泵用电机，在不同时间或季节，应用场合要求不同的风量和水量，故 电机轻载运行的时间往往占它运行寿命的大部分。 为了得到最好的动态响应，异步电机通常被控制在额定励磁运行，然而在轻载时， 这种运行模式会引起过度的电机铁芯损耗，严重影响传动系统的效率。异步电机及其 驱动系统又是一个复杂的多元非线性函数，这使得效率优化策略的设计及其实现显得 十分困难，目前已成为学术界讨论的热点问题之一，由于异步电机的应用范围越来越 广，因此优化系统效率的意义更显突出。 长期以来，人们做了许多工作来提高电气传动系统的工作效率，这些工作主要包 括： 1 ) 改进电机制造材料、改善设计方案和提高制造工艺，制造高效电机； 2 ) 对于长时间轻载运行的电机，采用适当的降压方式，降低电机的励磁电流， 以提高电机的功率因数和运行效率； 3 ) 对于有变速要求的负载，采用适当的电机调速方式，提高拖动系统的整体运 行效率。 而采用变频调速技术可取得明显的节能效果，是国家重点推广的节能项目。尽管 如此，由变频器供电的电机效率依然有很大的改进空间，尤其是当系统处于轻载工作 l 电动汽车用异步电机系统效率优化控制研究 的时候。虽然蓬勃发展的变频调速技术对节能降耗和改善系统特性起到了无与伦比的 作用，但是，在减少电机自身损耗，提高电机自身效率方面仍存在很大的潜力。 1 1 2 异步电机驱动系统在电动汽车中的应用 1 1 2 1 我国电动汽车研制的必要性 随着中国经济持续高速发展，城市化速度不断加快，汽车工业同时也面临一个快 速发展的机遇。从1 9 8 0 年到2 0 0 4 年，我国大陆的机动车数量从1 7 9 万辆增长为2 5 0 0 万辆，2 5 年间机动车数量增长了1 3 倍。在中国的城市化进程中，汽车数量的迅速增 多不但给城市交通带来了沉重负担，而且随之产生一系列环境问题。虽然我国油气资 源丰富，但是从1 9 9 3 年起，已经由石油出口国变成石油进口国，由于国内的石油供 给( 国内石油生产) 增长缓慢，而对石油的需求增长比较迅猛，今后十多年我国的石 油进口将会保持较快的增长势头。预计2 0 1 0 年中国的石油总需求规模将达到3 5 亿 3 8 亿吨，石油进口依存度将达到5 1 4 0 o - - , 5 2 6 ，而2 0 0 0 年进口依存度还仅为2 9 1 。 此外，据国家统计局的统计年报显示，2 0 0 4 年，我国全年进口原油1 2 2 7 2 万吨，同 比增长3 4 8 ，进口成品油3 7 8 8 万吨，增长3 4 1 ，这也是我国年度原油进口首 次突破l 亿吨大关。仅2 0 0 5 年的前8 个月，中国石油进口量更是高达7 6 0 0 万吨，对 外依存度上升到4 0 。在中国的石油消耗中，机动车的燃料消耗所占的比例越来越大， 其中汽车使用的汽油约占全部汽油消费量的1 3 ，所以能源问题与汽车发展的矛盾 日益突出。同时，汽车对环境的污染也越来越令人担忧，据各地监测分析，中国大约 有2 3 的城市空气质量不达标，汽车尾气排放量已占大气污染源的8 5 左右。发展清 洁能源、保护环境，是全人类的共同目标，为了追求环保与高效生活的统一，发展一 种新型的无污染、无噪音、不耗油的交通工具正成为世界交通业的大势所趋。 电动汽车是一种电力驱动的、节能的、极少污染的新型交通工具，是解决燃油汽 车所带来的能源和环境问题的最有希望的方案之一。2 0 0 1 年以来，中国进入了第十 个五年计划，国家科技部将电动汽车列入“8 6 3 ”高科技专项，五年来国家投入了8 8 亿元人民币用于电动汽车及其相关技术的研发。近年来最有希望代替传统燃油汽车的 方案将是混合动力汽车和纯电动汽车，燃料电池由于其价格高昂，仍然处于实验阶段。 混合动力车( h e v ) 使用内燃机和电机两种驱动方式，涉及的控制问题较为复杂，目 前主要是利用高效永磁电机作为起动发电机( i s g ) ；纯电动汽车( e v ) 的控制相对 简单，有较为成熟的理论，而且纯电动汽车的研制还可以进一步为混合动力车( h e v ) 的开发奠定基础。因此，纯电动汽车的研制是现实可行的，也是必要的，而且纯电动 汽车的研究已经取得了一些实质性的进展。 电动汽车作为绿色环保运输工具，已受到发达国家的重视，美、日、德、法等国 2 第一章异步电机驱动系统效率优化控制研究综述 都制定了相应的发展计划，各大传统汽车公司，如通用、福特、戴姆勒一克莱斯勒、 大众、丰田等，也都致力于电动汽车的研究。虽然中国传统汽车工业与国际有较大差 距，但我国电动汽车的研制还是紧随世界先进技术的步伐，这也为中国汽车工业赶超 世界先进水平提供了一个大好时机，因此，我国的电动汽车及其相关控制技术的研制 具有重要意义。 1 1 2 2 电动汽车驱动系统结构及设计要求 电动汽车是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规 各项要求的车辆，是涉及到机械、电力、电子、计算机控制等多种学科的高科技产品。 电动汽车是由车体、电机驱动系统、储能电池和能量管理系统组成的，其中电机驱动 系统是最关键的部分之一【1 1 1 2 1 1 3 1 。 电动汽车驱动系统由牵引电机、控制系统( 包括电机驱动器、控制器及传感器) 、 机械减速及传动装置、车轮等构成。控制系统接收加速踏板( 相当于燃油车的油f - j ) 、 刹车和p d r n ( 停车、前进、倒车、空挡) 、转向盘的输出信号，经过信号处理，输 入到电机驱动器，控制驱动电机转速和转矩，再通过机械传动装置，驱动车轮。 电动汽车控制的核心是要用电气传动系统取代机械推进系统，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，电动汽车电机驱动系统应该满足以下几点要求【4 】【5 1 【6 】。 1 ) 基速以下能够大转矩输出，以适应快速启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等 要求，基速以上则为恒功率、宽转速范围输出，以适应最高车速和公路飞驰、 超车等要求； 2 ) 整个转矩转速运行范围内的效率最优化，以谋求电池一次充电后的续驶距离 尽可能长； 3 ) 电机及电控装置结构坚固、体积小、重量轻、抗颠簸振动； 4 ) 操纵性能符合司机驾驶习惯，运行平稳，乘坐舒适，电气系统实效保障措施 完善。 电动汽车所要求的驱动系统电机输出特性曲线如图1 1 所示【7 1 。可见，电动汽车 驱动电机典型的输出特性主要包括两个工作区：( 1 ) 基速以下的恒转矩工作区，该区 间主要保证电动汽车的载重能力；( 2 ) 基速以上的恒功率工作区，该区间保证电动汽 车有充足的加速空间。 电动汽车用异步电机系统效率优化控制研究 。 - i - 。 。 _ 卜7 捌。i 乡 t 熏 + 。气 i - li ii )5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 3 0 0 3 ： z r 1 基速恒转矩区i 恒功区 i 降功区 图1 1 电动汽车驱动电机外特性曲线( 额定功率1 0 0 k w ) 1 1 2 3 应用于电动汽车的各种电机性能比较 8 0 0 7 0 0 6 0 0 宝 5 0 0z 、一 i 4 0 0h 3 0 0 2 0 0 目前应用于电动汽车的电机驱动系统，主要包括直流电机驱动系统、异步电机驱 动系统、永磁同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统【4 】【8 儿9 1 。 直流电机驱动系统调速方便，改变输入电压或电流就可以对输出转矩实现独立的 控制，进行平滑的调速。直流电机系统具有良好的动态特性和调速特性，并且有成本 低、技术成熟等优点。但是，直流电机的工作效率比较低，体积与质量较大，而且电 刷与机械换向器的存在，不仅限制了电机的过载能力与速度的进一步提高，而且长期 运行时，电刷和换向器的维护量大；另外，损耗存在于转子上，使得散热困难，温度 增高，限制了电机转矩重量比的进一步提高。由于直流电机存在上述缺陷，因而在 当前的电动汽车中应用越来越少。 开关磁阻电机是由磁阻电机和开关电路控制器组成的机电一体化新型调速电机。 开关磁阻电机工作时，依次使定子线圈中的电流导通或截止，电流变化形成的磁场吸 引转子的凸出磁极从而产生转矩。开关磁阻电机结构简单，转子上没有绕组、磁钢或 滑环，适合高速运行。但开关磁阻电机在电动汽车中没有获得广泛应用的主要原因在 于转矩波动及电机噪音过大 9 1 。目前应用开关磁阻电机的驱动系统仍然很少，这类电 动汽车有克劳瑞得公司的“l u c a s ”电动汽车。 永磁同步电机的优点是功率密度高、体积小、重量轻、效率高，并且控制相对容 易，因而在电动汽车驱动系统中占有重要位置。日本的电动汽车上大多使用永磁同步 电机或无刷直流电机，但电机容量都不大，通常在几十k w 以内，如丰田公司的纯电 4 舳 印 柏 加 舳 卯 柏 加 o z 2 l l 1 l 1 爹邑； 第一章异步电机驱动系统效率优化控制研究综述 动汽车r a v 4 e v 和燃料电池电动汽车上的永磁同步电机最大功率均为5 0 k w ，在混合 动力汽车p r u i s 上的最大功率为3 0 k w ，微型电动汽车上的最大功率为1 8 5 k w ；本 田公司在e v p l u s 电动汽车上使用的d c 无刷电机的最大连续功率为4 9 k w ；尼桑公 司的a l t r a 电动汽车上采用了6 2 k w ，1 3 0 0 0 r m i n 的永磁同步电机。由于永磁同步 电机转子为永磁体，无法调节，必须通过调节定子电流，增加定子电流直轴去磁分量 来削弱磁场，但这样会增大定子的通电电流，增加系统的铜耗。同时，永磁电机的磁 钢价格较高，磁性能受温度振动等因素的影响，过载能力受控制器限制。 异步电机结构简单、坚固耐用、价格便宜、维护方便，容量也可以做得比较大， 在工业中应用极为广泛。过去异步电机通过调压、串电阻等方式调速，性能差、效率 低，但近年来由于矢量控制和直接转矩控制等高性能变频调速方法的提出，异步电机 的调速性能也可以和直流机一样优良，从而在许多应用场合下得到大力推广，在高性 能调速领域也大有取代直流调速系统之势。目前在电动汽车驱动中，异步电机也因其 坚固耐用、结构简单而成为主流，特别是在欧美的电动汽车中多倾向于使用异步电机， 例如美国通用汽车公司的“i m p a c t 电动汽车就采用异步电机作为驱动电机。但是异 步电机的效率比永磁电机低，特别是在低速运行时，效率更低；同时，异步电机的参 数变化对其控制效果具有较大影响，因此，必须对异步电机的参数进行辨识，才能使 电机具有良好的运行性能。 交流驱动系统因其在成本、可靠性、制造工艺等方面的优势和优良的性能，在电 动汽车的驱动系统中占统治地位。而异步电动机驱动系统以其成熟的理论基础和控制 技术、高可靠性与效率、较好的性能，也将成为电动汽车驱动系统的主流。 1 1 3 课题意义 电动汽车很重要的一个指标就是续驶里程，即电池一次充电后汽车的行驶距离。 一般情况下，一辆燃油汽车带5 0 千克汽油约可行驶7 0 0 千米，如改装为带4 0 0 千克 铅酸电池的电动汽车，则只能行驶1 0 0 千米【5 1 。开发高质量的新型电池是最根本的解 决办法，而如何在现有电池技术条件下，降低电机驱动系统的损耗也是非常重要的一 m ：。因此，研究异步电机驱动系统效率优化控制对电动汽车意义重大，能够节约电池 能量，并延长续驶里程。 异步电机的效率优化控制对其它各控制领域的异步电机应用也有重大意义，它不 仅能够节约能源和优化装置自身的冷却设计，而且在控制环境污染方面也具有广阔的 前景。因此优化异步电机驱动系统的效率已是当今电气传动发展的一个显著趋势，目 前美国、日本、韩国和巴西等国的学者们正在积极进行这方面的研究工作，取得了一 定程度的进展，而我国在这方面的研究也已展开【1 0 】1 1 4 】。显而易见，这项研究工作不 仅具有重要的理论价值，而且具有重大的经济价值和一定的战略意义。 5 电动汽车用异步电机系统效率优化控制研究 1 2 异步电机系统控制技术综述 针对异步电机这样一个非线性、多变量、强耦合的控制对象，为实现其调速系统 的有效控制，获得优异的动态性能，国内外许多学者进行了大量的研究工作，并取得 了很大的进展。早期的变频调速主要采用恒压频比控制方式；上世纪7 0 年代提出的 矢量控制技术可以说是交流电机控制理论领域具有里程碑意义的成果，它使得异步电 机高性能控制得以实现；此后出现的直接转矩理论则提高了转矩响应的动态性能。近 年来，现代控制理论的发展、新型大功率电力电子器件的出现，以及微机数字控制技 术同臻完善，直接促进了变频调速技术的迅速发展。现代控制理论和电机控制技术的 融合使得许多控制方法如模型参考自适应控制( m r a c ) 、自调整控制( s t c ) 、变结 构控制( v s c ) 等等得到研究和应用。尽管如此，目前广泛应用于异步电机高性能控 制的方法，仍是磁场定向矢量控制和直接转矩控制，或在此基础上加以改进、发展的 控制方法【7 】【1 5 1 1 7 。 1 2 1 经典控制方法 1 ) v v v f 控制 早期的变频调速主要采用恒压频比控制方式，即在基速以下采用固定电压频率 比值的方法控制，基速以上恒压升频控制。因为同时调节频率和电压，又称为v v v f 控制。由于低速时定子电阻及漏抗上的压降不可忽略，通常在低速时进行电压补偿， 以提高电机在低速时的带载能力。 v v v f 控制方法简单，但该方案基于异步电机的稳态特性，属于标量控制，由于 缺乏对电机转矩的直接控制，带载能力差，动态响应慢，控制效果不理想。此外，低 速时定子电阻和死区互锁时间影响加剧，使得低速转矩特性严重下降，可能产生低频 振荡和不稳定现象。因此，一般只能应用于调速精度不高的场合，如拖动风机、水泵 等负载。 2 ) 矢量控制技术 上个世纪7 0 年代，德国学者f b l a s c h k e 和h a s s e 提出了交流电机的矢量变换控 制技术，利用旋转变换将交流电机等效为一个直流电机，从而使得磁链和转矩可以分 别解耦控制。其原理是将同步旋转坐标的d 轴定向于磁场方向，利用旋转坐标变换将 定子电流分解为沿磁场方向的励磁分量f 耐和垂直磁场方向的转矩分量f 。，通过控制 i 耐和i 坩来达到分别控制磁场和转矩的目的。按照所依据的定向磁场类别，可以分为 转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向等，有学者还提出了其它定向方法如定 6 第一章异步电机驱动系统效率优化控制研究综述 子电压定向等。其中，转子磁场定向矢量控制( r f o c ，r o t o rf l u xo r i e n t e dc o n t r 0 1 ) 以其优良的性能而被得到了最广泛的应用。 在矢量控制中，由于瓦o c 如k ，如保持励磁分量不变，改变0 就可以无延时地 改变电机电磁输出转矩。可见，矢量控制不仅控制电流的幅值，还控制其相位，这就 与以往的标量控制- v v v f 控制不同，因而动态性能有了质的提高。 矢量控制技术使得异步电机调速性能在理论上完全可以和直流电机调速系统性 能相媲美，然而它要求知道相应电机参数的准确值，并且其性能对部分参数十分敏感。 在实际应用过程中，由于所使用的电机模型不够准确以及运行中电机参数的变化，导 致了实际控制性能的降低。此后出现的很多技术如闭环观测器、转子电阻辨识方法等 大多是对矢量控制主要不足的改进和完善。 3 ) 直接转矩控制技术 直接转矩控制技术是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调速技术，于上世纪 8 0 年代，由德国学者m d e p e n b r o c k 和日本学者i t a k a h a s h i 提出。两人的基本思想 是一致的，即摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思想，去掉了p w m 脉宽调制器和电 流反馈环节，通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用 两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制。直接转矩控制技术与传统 的矢量控制相比，不需要进行复杂的坐标变换，简化了运算处理过程，提高了控制运 算速度，结构更加简单；而且计算中只涉及定子电阻，降低了系统对电机参数的依赖 性。 直接转矩控制追求转矩控制的快速性和准确性，利用一对滞环比较器直接控制定 子磁链和转矩，因此转矩的响应速度很快，具有良好的控制性能。但直接转矩控制不 控制电流波形，导致电流谐波成份增加，并且在启动时容易过流。此外，由于采用了 b a n g b a n g 调节器，使输出转矩脉动严重，低速时尤为明显，降低了系统的调速性能， 限制了调速范围。 1 2 2 现代控制理论 1 ) 自抗扰控制 自抗扰控制( a c t i v ed i s t u r b a n c e sr e j e c t i o nc o n t r o l ，a d r c ) 是我国著名控制论 学者韩京清教授，在上世纪九十年代术提出的一种针对非线性、不确定性系统的控制 方法。典型的a d r c 由扩张状态观测器、跟踪微分器和非线性状态误差反馈控制率 组成，它将模型内扰( 模型及参数的摄动) 和不可测外扰的作用归结为系统的总扰动， 利用误差反馈的方法对其进行实时估计，并给予补偿。a d r c 特殊的非线性和不确定 性处理方法，同时具有经典调节理论和现代控制理论的优点，由于它不依赖于系统的 7 电动汽车j j 异步电机系统效率优化控制研究 精确模型，采用扩张状态观测器的双通道补偿结构，对原系统模型加以改造，使得非 线性、不确定的系统近似线性化和确定性化，具有较强的鲁捧性。 a d r c 典型模型中普遍应用了非线性环节，但这在提高系统的收敛速度的同时， 也使得计算量很大，对系统硬件的计算能力提出了较高的要求，增加了实时控制的难 度。另外，a d r c 参数繁多，其控制性能很大程度上取决于参数的选取，如何调整、 选择众多参数，使控制器工作于最佳状态，是a d r c 真正应用化中所面临的一个难 题问。 2 ) 反馈线性化控制 针对异步电机这样多输入多输出、存在复杂耦合关系的非线性系统，部分学者应 用微分几何和直接反馈线性化的方法，或者逆系统理论选择合适的输出变量，将异步 电机模型完全解耦成两个独立的线性单变量系统，实现电机模型的线性化。在此基础 上，可直接应用线性系统理论进行控制系统的设计。文献 1 8 禾l j 用直接反馈线性化， 实现了系统的输入一输出线性化，将系统转化成转速和磁链两个独立的线性子系统， 实现了异步电机的解耦控制。 反馈线性化是一种确定性的方法，它依赖于对象的精确模型和对系统动态的准确 观测，而不考虑系统中的不确定性因素。然而，异步电机的参数往往随环境温度、运 行工况的不同而变化，如果仍按照线性非时变系统进行控制，会导致系统鲁棒性受到 影响，从而使系统性能恶化。 3 ) 滑模变结构控制 滑模变结构控制是一种特殊的非线性控制方法，即采用确定性控制器来实现对不 确定性系统的控制。它采用离散的控制策略，使系统运动在定义的滑模面上，降低了 系统阶数，并对外界干扰和系统摄动具有较强的鲁棒性。滑模变结构控制对系统的数 学模型精确性要求不高，控制规律简单，并且具有较强鲁棒性等优点。 对于理想的滑模变结构控制系统，滑动模态是降维的光滑运动，并渐进地稳定于 原点。但在实际系统中，控制力的有限性、系统的惯性以及切换丌关的滞后，会导致 控制系统的抖动现象，从而在一定程度上限制了滑模变结构控制的实际应用。抛弃离 散的开关控制方法可用以消除抖动，但这样也同时使得系统的抗扰动性能严重下降， 在去抖的同时仍保持足够的鲁棒性是滑模变结构控制所要解决的一项重要课题。 4 ) 自适应控制 自适应控制主要包括模型参考自适应控制( m r a c ) 和自校正自适应控制( s t c ) 两种常用的算法，目前已成功地用于异步电机调速系统中。m r a c 物理概念清楚， 实现较为容易；s t c 算法的计算量通常比m r a c 小，且容易保证系统的稳定性。 5 ) 智能控制 8 第一章异步电机驱动系统效率优化控制研究综述 智能控制是从解决工程和技术问题的实践中产生和发展起来的，包括人工智能、 专家系统、神经网络、模糊逻辑等不同的研究成果，这些研究成果从不同的角度提出 了仿照人的知识、思维进行