（电机与电器专业论文）电动汽车交流驱动系统的矢量控制技术.pdf

e l e c t r i cv e h i c l e sa cd r i v es y s t e mb a s e do nv e c t o rc o n t r o l t e c h n o l o g y a b s t r a c t a st h ep o l l u t i o na n dg r e e n h o u s ee f f e c to ft h ee a r t h ,i th a sb e c o m ew o r s ea n d w o r s e ，e l e c t r i cv e h i c l e sh a v eb e e nc o n c e r n e dm o r ea n dm o r eb yp e o p l e w i t h m o d e r nc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，m o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n t s e n s o rt e c h n o l o g y ，t h em a i nj o bo ft h i sp r o j e c ti st od e s i g nas e p a r a t e l ye x c i t e d m o t o rs p e e dc o n t r o l l e rw h i c hh a sm u l t i m o d e ，p r o g r a m m a b l eo n l i n ea n d s t r o n go f f u n c t i o n t h ea p p r o a c ho fv a r i a b l ef r e q u e n c yv e c t o rc o n t r o li su s e di nt h i sd r i v e s y s t e m a c c o r d i n gt oa ci n d u c t i o nm o t o rt w o - a x i st h e o r y ，s p a c ev e c t o rc o n t r o l s e p a r a t e st h es t a t o rc u r r e n ti n t ot w oc o m p o n e n t s ：o n ei st h et o r q u ec o m p o n e n tt h e o t h e ri st h ef l u xc o m p o n e n t as t r u c t u r es i m i l a rt oad cm a c h i n es t r u c t u r et h a t t o r q u ea n df i e l dc a nb ec o n t r o l l e di n d e p e n d e n t l yi sg i v e n i nt h i st h e s i s ， av o l t a g e s p a c ev e c t o rc o n t r o li n v e r t e rb a s e do nd s p i ss t u d i e d t h i sa r t i c l eh a sa n a l y z e dn o to n l yt h ep w ma n dt h ev e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l e b u ta l s ot h er e a l i z a t i o nm e t h o d s f o rt h ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ：w eh a v em a i n l y a n a l y z e dt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o do fs v p w m ，f o r t h ev e c t o rc o n t r o l ： w eh a sa n a l y z e dt h ev e c t o rc o n t r o le q u i v a l e n tc i r c u i ta n df u n d a m e n t a le q u a t i o no f t h r e e - p h a s ec o o r d i n a t es y s t e m s ，t w os t a t i cp h a s ea n dr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m ， t h ef u n d a m e n t a lf o r m u l a f r o mt h ec o r r e s p o n d i n gc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，c h a r t f o rv e c t o rc o n t r o li so b t a i n e d a tl a s t ， w i t hb a s i cp r i n c i p l eo fv e c t o rc o n t r o l ， u s i n gm a t l a b 6 5 ，t h ev e c t o rc o n t r o ls i m u l a t i o nm o d e li sg o t ： i nh a r d w a r e ， b a s e do na n a l y s i so fe l e c t r i cv e h i c l ed r i v es y s t e m ，t h ec o n t r o l l e ri sd e s i g n e di n t o t h ef o l l o w i n gm o d u l e s ：c e n t r a lc o n t r o lu n i t , m o t o rd r i v ec o n t r o lu n i t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n df a u l tp r o c e s s i n gu n i t u n d e rt h es a m p l i n gd a t af r o mt h e s e n s o r sa n dt h ev e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l eo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o r ，a f t e r p r o c e s s i n gd s pc a r r i e so u tc o n t r o la c c o r d i n gt ot h ef i n a lr e s u l t sa n ds e n do u tt h e f a u l td i a g n o s i sa n df e e d b a c ki m m e d i a t e l y t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ev e c t o rc o n t r o la l g o r i t h mo fv a r i a b l ev o l t a g e a n dv a r i a b l ef r e q u e n c y ( v v v f ) s y s t e ms t a t e di nt h ep a p e ri ss u c c e s s f u l ，t h e v e c t o rc o n t r o ls y s t e mh a sg o o dd y n a m i ca n da n t i - j a m m i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h e s v p w mc o n t r o lb a s e do nc i r c u l a rm a g n e t i cf i e l do ft h ea s y n c h r u n o u sm a c h i n e r e d u c e st h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yt o r q u ep u l s a t i o na n dt h ei r o nl o s s u s i n gt h ef a s t 2 o p e r a t i o na b i l i t ya n d f a s tr e a l t i m e p r o c e s s i n ga b i l i t yo fh i g hp e r f o r m a n c e e l e c t r i c a lm a c h i n e r yc o n t r o lo fs p e c i a l - p u r p o s ed s p c h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 am a k e s p r o g r a me a s i l y ag o o df o u n d a t i o nh a sb e e nl a i df o rt h en e x td e v e l o p m e n tf o rh i g h p e r f o r m a n c ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m 。 k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc o n v e r s i o na d j u s t a b l e - s p e e d ： f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ； d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ( d s p ) , s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) ； s i m u l i n ks i m u l a t i o n 插图清单 图2 1 矢量控制等效电路7 图2 2 三相异步电动机的模型8 图2 - 3 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量1 2 图2 - 4 两相静止和旋转坐标系1 3 图2 5 异步电动机在d q 坐标系上的动态等效电路1 8 图2 - 6 矢量控制系统原理结构框图1 9 图2 - 7 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型2 1 图2 - 8 在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链的电流模型一2 1 图3 - 1 定子三相绕组及其磁动势和电压的空间矢量2 4 图3 - 2 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹2 6 图3 - 3 三相逆变器异步交流电动机原理图2 6 图3 - 4 六拍的合成电压空间矢量2 7 图3 5 电压空间矢量与磁链矢量的关系和磁链矢量运动轨迹的形成2 8 图3 6 逼近圆形时的磁链增量轨迹和电压空间适量的线性组合一2 9 图3 - 7 电压空间矢量对电动机转矩的影响3 4 图4 - 1 电动车结构框图3 5 图4 2 逻辑控制板3 7 图4 - 3d s p 控制器功能结构图3 9 图4 - 4 电源转换原理图3 9 图4 5 开关输入电路图4 0 图4 - 6 定子电流采样电路4 0 图4 - 7 功率驱动电路4 1 图4 8 电机与控制器驱动部分以及电源的连线4 2 图4 - 9 功率块照片4 2 图5 1 异步电动机矢量控制结构图一4 4 图5 2 软件系统运行基本框图4 5 图5 3 电机调速控制模块4 6 图5 43 2 变换模块流程图4 7 图5 - 52 s 2 r 变换模块流程图4 7 图5 6 电流磁链转换模型流程图4 8 7 图5 72 s 2 r 逆变换流程图4 9 图5 - 8 正2 4 边形的矢量图5 0 图5 9d s p 的p w m 输出电路结构框图5 0 图5 - 1 0p w m 波形图5 0 图5 - 1 1 空间矢量产生模块程序图5 2 图5 - 1 23 2 坐标变换s i m u l i n k 结构图5 3 图5 1 33 2 坐标变换i 。、i b 输出的仿真波形5 3 图5 1 4 三相坐标到旋转两相坐标的s i m u l i n k 框图5 3 图5 1 5 三相坐标到旋转两相坐标变换的波形图5 4 图5 一1 6 由旋转两相坐标到两相静止相坐标5 4 图5 - 1 7 两相旋转坐标到两相静止( i r a = 2 0 ；i t = l o ) 5 5 图5 1 8 两相旋转坐标到两相静止( i 。= 5 ；i t = 1 0 ) 5 5 图5 1 9 两相静止坐标到三相坐标的变换框图5 6 图5 2 0 两相旋转坐标到三相坐标的变换框图5 6 图5 - 2 1 旋转坐标到三相坐标变换( i m = 1 0 ，i t = 5 ) 5 6 图5 2 2 旋转坐标到三相坐标变换( i r a = 5 ，i t = 1 0 ) 5 7 图5 2 3 异步电动机m a t l a b 仿真模型一5 7 图5 - 2 4 转子和定子电流起动变化仿真5 8 图5 - 2 5 定子电流稳定时的仿真波形5 8 图5 2 6 转速起动仿真波形5 9 图5 - 2 7 转矩波形5 9 图5 - 2 8 相电压v b 。的波形5 9 图5 - 2 9 负载由i o n m 突然加至3 0 n m 时转子的仿真6 0 图5 - 3 0 负载由1 0 n m 突然加至3 0 n m 时定子的仿真6 0 插表清单 表3 一l 八种开关状态下的各相电压2 7 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所 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 金胆王些太堂 或其他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谢意。 粼一躲哆娴瓤刎幽7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权- 金 胆王些盘堂 可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者弛彬 导师躲乃 j 曼烈 签字日期：砂矗：7 年函7 日 签字日期：口7 年6 月2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 3 电话： 邮编： 致谢 在论文即将完成之际，深深地感谢在合肥工业大学学习期间曾指导和鼓励 我的老师、帮助我的朋友和同学。 论文的选题、研究和撰写工作均是在导师万文斌老师的悉心指导下完成的。 在实践方面，万老师为我提供了优越的科研实践平台，让我从理论知识到实践 得到了质的飞跃；在研究和论文编写的工作中，万老师经常为学生解决难题， 指明方向，使本人受益匪浅、深受感动。本论文的每个字里无不凝聚着思师的 心血，体现出导师的无私教诲。万老师严谨求实的科学态度、博大精深的学识、 教书育人的孺子牛精神、朴实无华的生活作风，必将激励学生奋发进取。在此 向万老师表示深深的感谢。 在本课题研究实践中，得到中科院合肥智能研究所的方凯研究员、钱玮研 究员的指导和帮助，在此致以深深的谢意。 在读研期间，得到了唐海源、张兴等老师对我的指点，在此表示衷心的感 谢。 在课题研究实践中，对我们团队中来自合肥工业大学的秦岭同学、中国科 技大学的文明同学、孟涛同学、舒宝山同学和李文龙同学表示感谢，感谢他们 对我多方面的支持和帮助，也感谢那段让我们成为志同道合、同舟共济朋友的 时光。 感谢合肥工业大学电机专业全体老师和3 0 8 实验室所有同学在我学习和论 文中对我的帮助。 4 作者王民康 2 0 0 7 年5 月 1 1 课题意义 第一章绪论 随着中国经济持续高速发展，城市范围不断扩大、人口大幅度增加，汽车 工业同时也面l 临一个快速发展的机遇。从1 9 8 0 年到2 0 0 5 年，我国大陆的机动 车数量从1 7 8 8 9 万辆增长为1 9 0 2 0 4 万辆，2 5 年间机动车数量增长了1 0 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。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，五年内国家投入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 l 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 ) 。而纯电动汽车( 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，己受到发达国家的重视。美、日、德、 法等国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 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，但在电动汽车领域仅有5 年左右的差距，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 关技术的研制具有重要意义。 1 2 电动汽车驱动系统的发展 现在有很多研究部门对电动汽车所应用的电机进行研究。目前，已经产品 化的电机有感应电机( i m ) 、永磁电机( p m m ) 和直流电机( d c ) 。d c 电机虽然控 制简单，但是电刷和换向器增加了维修问题和安全性问题。i m 和p m m 是主要 的应用电机。p m m 在运行效率上比i m 高，但是p m m 成本高，在弱磁情况下 提高转速不容易。相反i m 结构紧凑而且便宜、容易重复利用、需要较少的维 护，在大型的车辆和适应环境变化方面有优势，是发达国家电动汽车的主流电 机。 电动汽车对其电气动力系统的性能要求较高，主要有： ( 1 ) 调速范围宽无级调速； ( 2 ) 在恒转矩、恒功率区都可长期稳定运行并保持高效率； ( 3 ) 动态响应快，系统鲁棒性好。 随着变频技术、功率电子器件和微处理器技术的迅速发展，变频调速成为 当前交流调速技术的主要发展方向，变频调速技术是当今交流调速的主要方式， 在电动汽车电气驱动系统中得到广泛的应用。 ( 1 ) 传统的变频调速技术：传统的变频调速方式是采用“f 控制，在改变电 动机定子供电频率的同时改变电源电压，以维持磁通恒定。这种方式存在着低 速性能较差的缺点，但其在控制上较易于实现，而且在低频时还可以通过低频 电压补偿来获得性能的改善，因此在一些对于调速性能要求不高的场合还是得 到广泛的应用。其具有调速范围宽、性能好等特点，它的缺点是不能动态地调 节电动机的转矩和转速。 ( 2 ) 矢量控制变频调速：矢量控制变频调速是一种高效动态的调速技术，它 是按照产生同样的旋转磁场这一等效原则建立起来的。矢量变换理论是它的理 论基础。它基于转子坐标系下电动机的数学模型，分别控制电动机的转矩电流 和励磁电流，使交流电机拥有和直流电机相类似的控制性能。和标量控制的主 要区别在于它不仅控制电流的大小，而且控制电流的相位。它的缺点是因为建 立在转子坐标系下，所估测的各项参数都在不断的变化，这对它的调速性能有 一定的影响，如何提高参数估算的准确性一直是研究的热点问题。 ( 3 ) 直接转矩控制变频调速：直接转矩控制变频调速技术是继矢量控制技术 后，交流调速领域一门新兴的控制技术。它直接在定子坐标系下，计算并控制 交流电动机的转矩和磁通，采用定子磁场定向，( 在经典直接转矩控制中) 借助 于离散的两点式控s t j ( b a n g b a n g 控制) 产生脉宽信号，直接对逆变器的开关状态 进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换与电动机 数学模型的简化处理，具有动态反应迅速，结构简单，易于实现等优点，是一 种很有发展前途的交流调速方式。因此，直接转矩控制理论一问世便受到广泛 关注，目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃。 目前，变频调速已经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都得 到了广泛的应用，而且随着一些新的交流电机调速理论( 如矢量控制和直接转矩 控i t s ) 、智能控制理论和现代电力电子技术( m o s f e t ，i g b t ，i g c t ，i p m ) 以及 高效处理器( 如t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p ) 等相关技术的发展，它将在很长一段时间 2 内主导电气传动领域，并向更高性能、更高容量以及微型化、智能化、网络化 方向发展。 近年来，智能控制研究十分活跃，并在许多领域得到了应用。典型的如模 糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。由于智能控制，如模糊控制不 依赖被控对象精确的数学模型、能克服非线形因数的影响、对调节对象的参数 变化具有较强的鲁棒性等优点，因而许多学者将智能控制方法引入了电机控制 系统的研究，并在交直流调速系统和伺服系统中取得了比较满意的效果，另外 近年来己有一些文献将神经网络或专家系统引入异步电动机的直接转矩控制系 统，相信不久的将来会获得实用性效果。 1 3 现代交流调速技术支持的发展 鉴于现代交流调速系统的复杂性，设计出优秀的控制系统需要强大的技术 基础。技术基础包含以下4 个方面： ( 1 ) 电力电子器件和电力电子技术的发展。电力电子器件和电力电子技术是现代 交流调速系统中用弱电控制强电的媒介，它的出现开辟了交流可调传动的新 纪元，它的发展与更新引导着交流调速系统的不断前进。 ( 2 ) 控制理论是研究新的交流调速系统必备的理论基础。它是提出新的控制算法 的主要保证。 ( 3 ) 大规模集成电路和微处理器的发展。它的发展与成熟是交流调速系统降低成 本、提高可靠性的重要因素。 ( 4 ) 数字仿真和计算机辅助设计。它是开发新的交流调速系统的技术手段，通过 仿真可以大大提高开发工作的效率和准确性。 1 3 1 电力电子器件和电力电子技术 自美国g e 公司1 9 5 7 年生产第一个晶闸管以来，功率器件的发展突飞猛进。 经过了第一代半控型器件( 以晶闸管为代表) 、第二代全控型器件( g t o ， g t r 等) ，目前已进入了第三代和第四代阶段，第三代功率器件以复合型为标志，如 绝缘栅极晶体管( i g b t ) 等。微电子工艺和电力电子技术的结合使得第四代功率 器件正朝着模块化、智能化的方向发展( 如智能功率模i p m ) ，功率器件与驱动、 检测、保护电路都集成在一起，降低了器件的成本，减小了体积，而且安全可 靠性也得到了大幅度的提高。在功率器件更新换代的同时，功率变换电路的结 构和控制性能也得到改善与提高，全控型器件的出现使得人们有可能抛开以往 复杂的辅助环流设施，而专注于电路拓扑结构和异步电机控制算法的改进。 p w m 逆交器具有结构简单、控制方便、功率转换效率高等优点，得到越来越 广泛的应用。随着p w m 逆变器的功率器件在高电压、强电流状态下开关频率 的提高，器件承受越来越大的开关应力和开关损耗，这制约了逆变器性能的进 一步改善。为此，人们研究了多种新型的电路拓扑结构来提高功率变换电路的 性能，此外，软开关技术的发展，出现了对谐振式逆变器的研究( 目前多处于实 验研究阶段) ，使得功率器件在零电压和零电流下开断，大大减小了开关应力和 开关损耗，开关频率得以大幅度提高。 1 3 2 变频调速装置中的p w m 技术 电气传动的p w m 控制技术是调速传动的关键技术之一，是电气传动自动控 制领域研究的热点。p w m 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流 电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的， 或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术 圈。在交流变频传动中，使用较早的控制技术是v v v f 控制技术，该控制技术 分为两种： 一种是把v v 与v f 分开完成，即先把交流电整流为直流的同时进行相控 调压，而后逆变为可调频率的交流电，这种前后分开控制的v v v f 控制技术称 为脉冲幅值调制方式( p u l s e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ；另一种是将w 与v f 集中 于逆变器一起来完成，即前面为不可控整流器，中间直流电压恒定，而后由逆 变器既完成变频又完成变压，这种控制技术称为脉冲宽度调制技术( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 。这种控制技术整流器无须控制，简化了电路结构，而且以全波整 流代替相控整流，提高了输入端的功率因数，减小了高次谐波对电网的影响。 p w m 控制技术有许多种，而且在不断发展之中。具体实现的技术有，自然采 样法，对称规则采样法、特定谐波消去法，梯形调制技术，相位调制技术，而 积等效法等1 0 多种调制技术。等脉宽p w m 法的每一脉冲的宽度均相等改变 脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方 法可以实现电压与频率的协调变化其缺点是输出电压除基波外，包含较多的 谐波分量；s p w m 法克服了等脉宽p w m 法的缺点，它从电动机供电电源的角 度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相正弦波电源，它是以一个正弦 波作为基准波( 称为调制波) ，用等幅等腰三角波( 称为载波) 与基准正弦波相交， 由它们的交点确定逆变器的开关模式；电流跟踪型p w m 法采用电压源型逆变 器，却是控制输出电流的，其基本思想是将电动机定子电流的检测信号与正弦 波电流给定信号相比较，如果实际电流大于给定值，则通过逆变器的开关动作 使之减小，反之使之增大，这样实际电流波形围绕给定的正弦波做锯齿状变化， 而且开关器件的开关频率越高电流波动就越小，使用这种方法，电动机的电压 数学模型改成电流模型，可使控制简单，动态响应加快，还可以防止逆变器过 电流：磁链跟踪型p w m 法，把电动机与逆变器看为一体，着眼于如何使电动 机获得幅值恒定的圆形磁场为目标，它以三相对称正弦电压供电时交流电动机 中的理想磁链为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的磁链有效矢量来逼近 基准圆，理论分析和实验表明s v p w m 调制具有脉动转矩小、噪音低，直流电 压率高( 比普通的s p w m 调制约高1 5 ) 。本文在硬件与软件实现时就采用这种 调制方式，对于s v p w m 调制尤其要考虑其特殊的时间比较方式，用专门的硬 件支持实现才是最佳方案，德州仪器( t i ) 公司推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 专门设置 了空间矢量状态机这一硬件系统，使得s v p w m 的实现变得容易起来。 1 3 3 微处理器d s p 技术 现在市场上较通用的变频器大多都是采用单片机来控制，应用较多的是 8 0 9 6 m c 系列产品。但单片机的处理能力有限，特别是采用矢量变换控制的系 统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，单片机往往不再能满足 要求。2 0 世纪8 0 年代初期出现的数字信号处理器( d s p ) 既增强了微处理器的数 据处理能力，又在片内集成了大量的外围接e 1 ，因而在控制系统中得到广泛应 用。d s p 通常采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并且各自 拥有自己的数据总线和地址总线：采用流水线技术，使得指令处理的平均速度 大大提高；内部增设专门的硬件乘法器，并将硬件乘法器与累加器以流水线方 式连接，从而可以高速进行乘法和累加运算。d s p 在提高速度的同时，片内集 成了越来越多的外围接口，从而大大提高其功能，目前已发展成为一类高速单 片机，本系统即选用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 为控制器构成变频调速系 统。 1 3 4 计算机仿真技术 计算机仿真技术作为研究交流调速系统的辅助开发工具，随着交流调速系 统结构的复杂程度的不断增加，越来越多的显示出了它的重要性和优越性。仿 真对已有交流调速的运行特性进行分析，又可以研究新型调速方案的可行性， 探讨结构的合理性和参数对系统动、静态特性的影响，从而实现优化设计，缩 短了开发周期，减少了开发费用。本课题和用m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 仿 真软件，建立了矢量控制变频调速系统的仿真模型，仿真实验表明，矢量控制 异步电动机具有良好的起动、稳态和动态抗干扰性能。变频调速装置的研制与 许多技术的发展密切相关，涉及到电机理论、电力电子技术、数字信号处理技 术、控制理论、计算机仿真技术、印刷板设计与制作技术和通信网络技术等众 多学科领域。 1 4 主要研究内容 本文以交流异步电机矢量控制方法及其在电动汽车中的应用研究为研究课题，针 对交流异步电动机矢量控制的理论和电动汽车实际的需求出发，从理论分析、计算机 仿真和实验三个方面进行了深入研究。 因此，本课题的主要研究工作有： 1 ) 分析了脉宽调制原理与实现方法，对于脉宽调制技术：重点介绍了电压空 间矢量脉宽调制的基本原理、控制算法、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的实现方法。 2 ) 根据矢量控制理论和电动汽车实际要求，设计出适合电机和汽车的控制 器硬件。控制器主要由控制电路部分和主电路的功率部分组成。其中，系统主 电路功率部分采用直交电压源型变频，功率器件采用i r 公司的m o s f e t 管 i r f 3 7 1 0 。系统逻辑控制电路是以1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心，对人机交换以及电机的输 入口进行事件触发捕捉和模拟输入口定时采样，模拟口完成了对加速器、定子电 流、速度、电池电压、温度检测。文中对控制系统的主电路、功率模块、电源电路、 保护电路、电流和转速检测电路作了简单的介绍，同时充分利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 自带的电压空间矢量硬件，实现了控制电机的s v p w m 输出。 3 ) 对坐标变换和电机调速进行仿真和部分程序软件编写及调试。 4 ) 调查、研究了电动车辆的运行功能特点和安全保护要求，设计出有效的、适 用的软件程序。 第二章坐标变换和矢量控制系统 2 1 异步电机变频调速矢量控制的等效电路 异步电动机是一个高阶、多变量、强耦合的非线性系统。在研究异步电动机的数 学模型时，作如下假设： ( 1 ) 假设三相绕组对称，空间互差1 2 0 。电角度，所产生的磁动势沿气隙圆周正弦 分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和，绕组的互感和自感都是线性的； ( 3 ) 忽略铁芯损耗的影响。 从定子侧求输入阻抗、电磁功率以及对应的电磁转矩都不变的原则，可以得到等 效的不对称t i 型等效电路一矢量控制等效电路，如图2 1 所示。 a 2 r 2 s 图2 一l 矢量控制等效电路 r l 一定子电阻； r 2 一电磁功率电阻； l l ，1 2 一定、转子漏电感； m 一励磁电感： l l ，b 一定、转子等效漏电感l l = l l + m ，l 2 = 1 2 + m ： 丘、丘一定、转子电流； a = m l 2 - - 引进的参数； s - - 转差率； 矗一定子电压； 7 d 赢一电源角频率； i 二l ：i ：l 一励磁电流； 一a=i：一为转矩电流； 一2 ，i q l 一为转矩电沉5 q 2 一转子磁链。 上图为不对称的t - i 型等效电路，该电路的特点是励磁电流i ：与转子电流一导互 成9 0 。正交，i ：i ：，称为励磁电流，一墨= i 。1 为转矩电流。把定子电流分解为 m m a 、1 励磁电流i d l ( 控制磁通) 与转矩电流i q l ( 控制转矩) ，实现解耦，可以分别进行 控制，这就是矢量控制的基本思路。 2 2 异步电机动态数学模型 无论电动机转子是绕线型的还是笼型的，都将它等效成三相绕线转子，并 折算到定予侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相等。这样，电动机绕组就等 效成图2 2 所示的三相异步电动机的物理模型。 b 7 夕讹 7 c 图2 - 2 三相异步电动机的模型 图中，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的，以a 轴为参考坐标轴； 转子绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转，- 转 - y a 轴和定子a 轴间的电角度e 为空间角位 移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定 则。这时，异步电动机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运 动方程组成。 8 1 电压方程式 三相定子绕组的电压平衡方程为： 棚 2 + 孑 = 。+ 誓 d 甲 u c 刮c r s + 寺 与此相应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为； j 甲 u = i 足+ 4 口， 出 d 1 王， 5 僻+ 寻 d 甲 2 僻+ 彳 式中u 、u b 、u c 、u 。、u b 、u c 定子和转子相电压的瞬时值； i 、i b 、i c 、i 。、i b 、i c _ 定子和转子相电流的瞬时值； 甲a 、甲b 、甲c 、掣。、甲r 一各相绕组的全磁链； r s 、r 广- 定子和转子绕组电阻。 将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子p 代替微分符号丢，得 乩 眈 玑 乓 0 0 0 0 o 或写成 ooo00 玛0 000 0 玛0 00 0 0 毽0 0 o00 尼0 0000 豆 u = r i + p 甲 + p 隆 甲。 ( 2 - i ) ( 2 - 2 ) 2 磁链方程式 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因 此六个绕组的磁链可表述为 9 甲 b 吨c 嘎a b c k b k b k ( 2 - 3 ) 或写成甲= l i ( 2 4 ) 式中l 电感矩阵： 实际上，与电动机绕组交链的磁通只有两类：一类是穿过气隙的相间互感 磁通，另一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，前者是主要的。与 定子一相绕组交链的最大互感磁通对应于定子互感l 。，与转子相绕组交链的 最大互感磁通对应于转子互感l 。，由于折算后定、转子绕组匝数相等，且各绕 组间互感磁通都通过气隙，磁阻相同，故可认为l 。= l 。，。对于漏磁通，定子各 相漏磁通所对应的电感称作定子漏感l ，由于绕组的对称性，各相漏感值均 相等；同样，转予各相漏磁通则对应于转子漏感l i f o 对于每一相绕组来说，它所交链的磁通是互感磁通与漏感磁通之和，因此 定子各相自感为 匕= l b b = k = k + 丘 ( 2 5 ) 而转子各相自感为 乞= = k = k + 乓( 2 - 6 ) 两相绕组之间只有互感。互感又分为两类： ( 1 ) 定子三相彼此之间和转子三相彼此之间的位置都是固定的，故互感为常值； ( 2 ) 定子任一相与转子任一相之间的位置是变化的，互感是角位移0 的函数。 3 转矩方程式 z = p l m , ( i a i o + i s i b + i c i ，) s i n o + ( i a i b + i b i c + i c i o ) s l n ( o + 1 2 0 。) + ( i a i c + i b i o + i c i b ) s i n ( o 一1 2 0 。) ( 2 7 ) 应该指出，上式是在线性磁路、磁动势在空间按正弦分布的假定条件下得 出来的，但对定、转子电流对时间的波形未做任何假定，式中的f 都是瞬时值。 因此，上述电磁转矩公式完全适合用于变压变频器供电的含有电流谐波的三相 异步电动机调速系统。 4 电气传动系统的运动方程 忽略电气传动系统传轴的扭转弹性，传动系统的运动方程式为 “励纭缸如跏励励助励励如励砌知肠勿伽伽彬助伽助伽励助助励励助励励助励缸 乏= t l + 百j 百r i c o 式中瓦一负载阻转矩( n m ) ； j 一机组的转动惯量( 堙研2 ) 。 2 3 异步电动机变频调速矢量控制中的坐标变换 ( 2 - 8 ) 直流电动机的数学模型比较简单，首先是因为它的磁链关系简单。f 为励 磁绕组，a 为电枢绕组，c 为补偿绕组。f 和c 都在定子上，只有a 是在转予上。 把f 的轴线称作直轴或d 轴( d i r e c ta x i s ) ，主磁通。的方向就是沿着d 轴的；a 和c 的轴线则称为交轴或q 轴( q u a d r a t u r ea x i s ) 。虽然电枢本身是旋转的，但通过换向 器和电刷的作用，使电枢磁动势的轴线始终被限定在q 轴位置上，其效果好像是 一个在q 轴上静止的绕组。但它实际上是旋转的，会切割d 轴的磁通而产生旋转 电动势，这又和真正静止的绕组不同，通常把这种等效的静止绕组称作“伪静 止绕组”。电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁势抵消，或者由于其作用方向 与d 轴垂直而对主磁通影响甚微。所以直流电动机的主磁通基本上唯一地由励磁 电流决定，这是直流电动机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。 矢量控制也叫磁场定向控制。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟 直流电动机转矩控制的基本规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的 励磁电流分量0 和产生转矩的转矩电流分量岛，并使两分量互相垂直，彼此独立，然 后分别进行调节。这样，交流电动机的转矩控制，从原理和特就与直流电动机相似了。 因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位性上置( 频率和相位) 的控制。 众所周知，在交流电动机三相对称的静止绕组a 、b 、c 中，通过三相平衡 的正弦电流j 、如、蠡时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势f ，它在空间呈正 弦函数分布，以同步角速度c 0 1 顺着a b c 的相序旋转。矢量控制中，电动机的 变量，如电压、电流、电动势等均由空间矢量来描述，并通过建立电动机的动态数学 模型得到各物理量之间的实时关系。通过坐标变换，在定向坐标系上实现各物理量的 控制与调节。矢量控制中所用的坐标系有两种：一种是静止坐标系，一种是旋转坐标 系。基于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 轴和与之 垂直的b 轴所组成的两相定子。a b 坐标系为静止坐标系。 1 三相两相变换( 3 2 ) 在三相静止绕组a 、b 、c 坐标系和两相静止绕组伍p 坐标系之间的变换，或 称从三相静止坐标系到两相静止坐标系上的变换，称为c l a r k e 变换，简称3 2 变 换。 b c 图2 3 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 图2 3 绘出了a 、b 、c 和a b 两个坐标系，为方便起见，取a 轴和a 轴重合。 设三相绕组每相的有效匝数为n 3 ，两相绕组每相有效匝数为n 2 ，各相磁动势为 有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。由于交流磁动 势的大小随时间在变化着，图中磁动势矢量的长度是随意的。设磁动势波形是 正弦分布的，当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在 a 、8 轴上的投影都应相等，因此 2 i o = m 一n 3 i bc o s 6 0 。一3 tc o s 6 0 。= 3 也一寺一音毛