（电机与电器专业论文）异步电机矢量控制在电动车上的应用.pdf

北京交通人学硕+ 学位论文 二_ 一 a bs t r a c t e l e c 仃i cv e h i d e sr e f e r st ot h ee l e c t r i cp o w e r - d r i v e nc a r , m o t o r - d r i v e n w h e e l s d r i v i n g ，w i t hr o a dt r a f f i c ，s a f e t ya n dr e g u l a t i o n so ft h er e q u i r e m e n t so ft h ev e h i c l e s e l e c t r i cv e h i c l e sd on o te x h a u s tp o l l u t i o n ，a n da rev e r y u s e f u lt oe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n dc l e a na i r , i s a l m o s tn oe m p o i s o n t h es t u d ys h o w e dt h a t ，e n e r g y e 伍c i e n c yo fe l e c t r i cv e h i c l e sh a sm o r e t h a ni to fg a s o l i n ee n g i n ev e h i c l e s p a r t i c u l a r l y i i lm ea r e ao ft o u r i s m ，t h es p e e do fc a ri sn o th i g h , e l e c t r i cv e h i c l e sa r em o r es u i t a b l e m o t o rd r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l e si st h ec o r eo ft h ee l e c t r i cc a r s t h i s p a p e ri sd e s i g n e dt om o t o rd r i v ec o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l e sw i t h i n d u c t i o n m o t o r t h i sp a p e ri sd e s i g n e dt ot h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r ew i t hi g b tm o d u l e s t h r o u g h i m p r o v i n gt h es t r u c t u r er e p e t i t i o u s l ya n dd e s i g n i n g t h ed r i v e rc i r c u i tw i t hi n t e r l o c k i n g o ft h eh a n d w a r ef e a t u r e s ，e n h a n c e dt h er e l i a b i l i t yo ft h em a i nc i r c u i t t h i sp a p e r d e s 砷e sa 1 1i n d u “o nm o t o rc o n t r o ls y s t e mw h i c hu s et i st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a st h e s v s t e mc o n t r o lc o r e ，d e s i g n st h ec o n t r o lc i r c u i ta n dt h ep r o t e c t i o nc i r c u i t ；p r o g r a mt h e v e c t o rc o n t r o ls o m ) l ，孤ew i t ht h es p a c ev e c t o rc o n t r o lv o l t a g ep w m c o n t r o la saw a yo f t h ec o n t r o lp r o c e d u r e s b ys t u d y i n gt h ev e c t o rc o n t r o ls c h e m ef o rt h ei n d u c t i o nm o t o r s u s i n gt h es i n g l en e u r o np ic o n t r o l l e r ，i tc a ni m p r o v e t h ec h a r a c t e r so fm o t o r sb e t t e rt h a n t h et r a d i t i o n a lp ic o n t r o l l e r t h r o u g hl o t so fe x p e r i m e n t sa n dt h ea c t u a ls c e n el o a d i n gd e b u g g i n g ，t h em o t o r c o r 蛐r 0 1s y s t e mw h i c hd e s i g n e db yt h ep a p e rh a sag o o dr e l i a b i l i t y , d y n a m i ca n dc o n t r o l c a p a b i l i t y i ti sp r o p i t i o u st ob a t t e r y - p o w e r e d i n v e r t e ra p p l i c a t i o n s ( e l e c t r i cv e h i c l e s ) k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e s ；i n d u c t i o nm o t o r ；v e c t o rc o n t r o l ；i g b t ；d r i v e rc i r c u i t c l a s s n o ：t m 3 0 1 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 马赌 签字日期：砌g 年歹月7e l 导师签名： 签字日期：年月 日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 6 7 引言 1 引言 1 1 课题背景 电动游览车是指以车载电源为动力，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。它使用存储在电池中的电来发动。在驱动汽车时有时 使用1 2 或2 4 块电池，有时则需要更多。 电动车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空 气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”。电动汽车的研究表明，其能源效率已超 过汽油机汽车。特别是在景区运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更 加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电 机，实现制动减速时能量的再利用。另一方面，电动汽车的应用可有效地减少对 石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以 由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如 果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。 电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小。 当采用三相异步电动机时，电机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵，易 于驾驶。 目前电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善，尤其是动力电源( 电池) 的寿命 短，使用成本高。电池的储能量小，一次充电后行驶里程不理想，所以大多用于 景区游览车。但从发展的角度看，随着科技的进步，投入相应的人力物力，电动 汽车的问题会逐步得到解决。扬长避短，电动汽车会逐渐普及，其价格和使用成 本必然会降低。 电动车的组成包括电机驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定 任务的工作装置等。电机驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机 汽车的最大不同点。电机驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控 制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。本论文主要涉及电 机驱动及控制系统，控制系统( 包括控制器、功率变换器及各种传感器) 构成。 控制系统接收加速踏板、制动和转向等信号，经过信号处理，输入到电机驱动部 分，控制功率电路的功率输出，实现控制驱动电动机的转速和扭矩，再通过机械 传动装置，驱动车辆行驶。 电动车驱动电动机有直流电动机、异步电动机、永磁无刷电动机和开关磁阻 北京交通大学硕十学位论文 电动机。异步电动机具有体积小、结构简单、坚固可靠、成本低、易于维护等优 点，并且随着变频调速技术的发展，让异步电动机的控制方法越来越完善，使异 步电机有着优异的启动和调速性能，高效率、高功率因数和节能，有着广泛的应 用范围。高性能的电动车普遍采用了异步电动机作为传动设备。 1 2 异步电机调速的基本类型 按照交流异步电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率p 可分为两部 分：一部分是拖动负载的有效功率罡= ( 1 一s ) ；另一部分是与转差率s 成正比的转 差功率只= 瓯。因此从转差功率是否增大，是消耗还是回馈出发，参照陈伯时老 师电力拖动自动控制系统书中所述，异步电动机传动调速系统可以分为三类【l 】： 1 、转差功率消耗型调速系统全部转差功率以转换成热能的形式而消耗 掉。如降压调速、电磁转差离合器调速、绕线式转子异步电动机串电阻调速都属 于这一类，其调速效率最低。它是以增加转差功率的损耗来实现转速的降低f 恒转 矩负载) ，由于这类调速系统结构简单、成本低廉，故在调速要求不高的场合仍有 一定的应用。 2 、转差功率回馈型调速系统转差功率的一部分被消耗掉，大部分则通过 变流装置回馈电网或者转换为机械能加以利用。绕线式异步电动机串级调速属于 这一类。其效率比第一类方法要高，但总是有部分能量在增设的交流装置中被消 耗掉，因而也不是最为理想的调速方法。 3 、转差功率不变型调速系统一转差功率中转子铜耗是不可避免的，在这类系 统中转差功率基本不变，因此效率最高。异步电机的变压变频调速系统就属于这 种，因为性能好，效率高，是交流调速的主要发展方向。 目前，变频调速己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，按其控制方式可简单分为：v f 恒压频比控制、转差频率控制、矢量 控制和直接转矩控制。 1 3 变频调速的多种控制方式 恒压频比控制时，实际上只控制了电机的磁通而没有控制电机的转矩，通常 用于调速性能一般的场合。 转差频率控制是根据异步电机电磁转矩和转差频率关系来直接控制电机的转 矩，可以在一定的转差频率范围内，一定程度上通过调节电机的转差以控制电机 的电磁转矩，从而改善调速系统的控制性能。但其控制理论是建立在异步电机的 2 引言 稳态数学模型基础上的，适合电机调速变化比较缓慢或对电机动态性能要求不高 的场合。 矢量控制理论是从异步电机内部的机电能量转换、电机统一理论和空间矢量 理论基础上发展起来的，理论基础严谨。它采用矢量分析的方法来分析异步电机 内部的电磁过程，是建立在异步电动机的动态数学模型基础上的控制方法，从理 论上正确解决了异步电机调速系统动态性能的控制问题，控制性能可以与直流电 机调速系统媲美。矢量控制技术完全模仿对直流电机的控制技术，用矢量变换的 方式，把异步电机定子电流解耦成互相独立的产生激磁的分量和产生转矩的分量， 分别控制着两个分量就可以实现对异步电机的转矩控制和磁链控制的完全解耦， 从而实现理想的动态性能。 直接转矩控制【4 】直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机 的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化；既不 需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。其 控制理论与矢量控制理论一样有着理想的动态性能。其采用定子磁场定向，借助 于离散的两点式调节( b a n g - b a n g 控制) 产生p w m 信号，从而对逆变器的开关状 态进行直接控制。但因为其产生的p w m 的谐波成分随机且分散性较大，电机电流 波形的谐波难以人为控制，谐波问题比较突出。 综上所述，选择控制理论严谨、性能优良、在国外已有应用的矢量控制技术 是合理的。充分利用当今高性能的数字信号处理器( 如t i 公司的聊s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 的强大功能，用简洁的控制系统硬件来实现矢量控制负载的数学运算和p w m 波形 的发生，既能使控制具有高的静态性能和动态性能，又能使电机电流中对电机转 矩脉动影响较大的低次谐波得以最大限度的人为控制和消除。 1 4 本论文的主要工作 随着人们节能环保意识的加强，奥运会的临近，人们也越来越关注电动车的 发展。自从我实验室参与完“8 6 3 纯电动车电机及控制器 的项目研究之后，又继 续电动游览车控制系统的研究与开发我有幸在硕士研究生毕业设计期间参与了 “电动游览车异步电机控制系统 的研究项目，在实验室师兄研究的基础上，在 这一年多的时间里我主要进行以下几个方面的工作，这些研究与实践都是本论文 编写的基础： 研究异步电机矢量控制的基本原理，通过用m a t l a b 的s i m u l i n k 进行仿真，验 证矢量控制的控制性能。 完成了电动游览车控制器主电路结构的设计；搭建了实验拖动系统，为验证 3 北京交通大学硕十学何论文 系统控制方案，调试控制系统的参数和性能，搭建了完整的一套负载试验台，并 且多次去现场安装调试电动游览车异步电机控制器。 在以前控制系统的的基础上，完善了控制电路板的设计；设计了两套用于异 步电机逆变器的i g b t 驱动电路； 进一步完善了控制系统的核心算法程序，使异步电机在电动游览车上具有较 好的启动和调速性能。 4 异步电机传动系统变频调速原理 2 异步电机传动系统变频调速原理 我们知道，任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程式i s ： z 一互= 二譬 ( 式2 - 1 ) hpu l 要提高调速系统的动态性能，主要依靠控制转速变化率d o g d r ，显然，控制 转矩l e 就能控错t l d c o d t 。因此归根结底，调速系统的动态性能就是控制其转矩的 能力。丽异步电动机具有多变量、非线性、强耦合等特点，如图2 1 所示，其电磁 转矩t 为： f i g 2 1 i n d u c t i o nm o t o rs t e a d y - s t a t ee q u i v a l e n tc i r c u i t ：生：堕j 超一一一一掣塑坐一一一 ( 式2 - 2 ) 。 q -q 2 j q ( 足+ 里) ：+ 群( 厶。+ ：) z 】 式就是异步电动机的机械特性方程式【1 1 。其中以。是极对数，同步机械角速度 q 。= 堕，墨、砭为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；厶。、：为定 子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；u 、劬为电动机定子相电压和供电 角频率；s 为转差率。 2 1 标量控制原理 标量控制【5 1 ，顾名思义，仅仅只对变量的幅值进行控制，且忽略电机中的耦合 效应。例如，通过控制电机电压便可控制磁链、通过控制频率或转差率便可控制 转矩。但磁链和转矩又各自是频率和电压的函数。标量控制和矢量控制或磁场定 向控制不同，后者的矢量变量的幅值和相位都被控制。标量控制的传动系统性能 差一些，但是实现起来容易，标量控制的传动系统在工业领域已经被广泛应用。 2 1 1 开环“f 控制 5 北京交通人学硕十学位论文 在进行异步电动机调速时，为了充分利用电机的铁心，通常希望能够保持电 动机中每极磁通量m 。为额定值不变。在异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合 成产生，要保持磁通恒定比较困难。三相异步电机定子每相感应电动势的有效值 是： t = 4 4 4 f l n , k n , 。 ( 式2 3 ) 式中，巨为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值( v ) ；f 为定子频率 ( h z ) ；m 为定子每相绕组串联匝数；k 为定子基波绕组系数；。为每极气隙 磁通量( 、b ) 。由上式可知，只要要控制e 。和z 成正比，就能保持磁通。为常数。 这就是开环电压频率( v f ) 控制【l 】。对此，交流电动机变压变频的基本控制方式 是，在基频以下采用恒压频比控制，低频时，定子电压降主要消耗在定子电阻上， 这样讲会弱化定子磁链，这样需要抬高电压以补偿定子压降；在基频以上则采用 恒压升频控制方式，即弱磁控制。将这两种控制特性画在一起，如图2 2 所示。在 基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”，而在基频以上，转速升 高时转矩降低，基本属于“恒功率调速”。 u 。 u s n 图2 2 异步电动机基本控制方式控制特性 f i g 2 - 2c h a r a c t e r i s t i co fa s y n c h r o n o u sm o t o rb a s i cc o n t r o lm o d e 2 1 2 转差频率控制原理 开环v f 控制的一种改进方法是通过调节转差率以实现速度闭环控制。按照电 机学原理中的转矩公式： z = c m 。厶c o s 岛 ( 式2 - 4 ) 2 式中q = n l k 。可以看出，气隙磁通、转子电流、转子功率因数都影 v z 响转矩，这些量又都和转速有关，所以控制异步电动机转矩的问题就复杂的多。 从稳态气隙磁通不变( 恒压频比) 这个条件出发来寻找控制转矩规律。由2 1 所示 稳态等效电路可知： 6 异步电机传动系统变频调速原理 乒南2 志 挣2 懒酗2 “2 + o 啪2 户 c 0 s 幺= 一s 孓面爵 足 ( 式2 5 ) 代八式( 式2 - 4 ) 甲得 z = g m p 2 + 殳s 2 c o t 2 v 2 ( 式2 石) 又最= 4 4 4 z m k ，。= 4 4 4 石c o l “k 。= 而1 q 川k 。叱 二， 、二 则互= 吾m 砖- m 2 p , 4 2 + 羔s 型2 c o l t 2 l 1 2 2 ( 式2 - 7 ) 设哆= s q ，定义为转差角频率，则 z ：以。z 1 旦譬百 ( 式2 8 ) 一+ l q l ，2 厂 式中k m = 去c 坍m 峨。= 昙刀，札2 k 2 。 当电机稳定运行时，因为s 很小，所以q 也很小，可认为q ： o ，则b = l ， 否则b = o ；如果3 o ，则c = l ，否则萨o 。设= 4 幸c + 2 宰b + a ，则n 与扇区数 的对应关系如表2 - 1 所示： nl23456 扇区数 l5o3 2 4 表2 - 1n 所对应的扇区数 1 、a b 2 1t h es e c t o r so f n 到此，如果已知参考电压矢量或其在( 口，) 坐标系中的位，) 轴分量以和 虬+ ，就可以根据上面的推导计算出对应的两个基本空间矢量的作用时间 、t 2 ，再加上己知的s v p w m 的调制周期耳聊，就可以方便的利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 实现s v p w m 算法了。 随着参考空间电压矢量吒的长度增加，输出电压的及电压幅值也线性增加， 毛、t ：也加大，但是要使合成矢量在线性区内就必须满足下列等式： + t 2s 耳聊 rr 可以得出等当毛、t ：赋值后，还要对其线性区调制进行判断，若 + t ：乃聊时，则f l 、t 2 保持原值不变；若+ t 2 耳聊时，则： 1 7 北京交通人学硕+ 学位沦文 铲焘 ( 式2 - 2 7 ) 乞2 焘乃删 可见，当输出电压达到上限值时，输出线电压基波峰值可达。s v p w m 的 调制相电压波相当于在原正弦波中注入了三角形次谐波，当正弦调制波的幅值为1 时，形成的s v p w m 调制相电压幅值为3 2 。s v p w m 调制方法比传统的规 则采样s p w m 提高了1 5 4 7 的电压利用率，能明显减少逆变器输出电流的谐波成 分及电机的谐波损耗，降低转矩脉动。 2 3 2 弱磁控制 如图2 。1 2 ，在电机转速到达额定频率时，此时定子电压达到了全值或者额定 值。为了继续提高电机的转速，同时保持定子电压恒定，我们让在这个区域时， 气隙磁链减少，也就是所谓的弱磁控制。 l 必 夕 _一 r 百磁区 电压控制范围 弱磁区 图2 1 2 异步电机的调速区域 f i g 2 - 1 2c o n t r o lr a n g eo f a ni n d u c t i o nm o t o ri ns t e a d ys t a t e 图2 1 3 加入弱磁调速控制的异步电机控制框图 f i g 2 13v e c t o rc o n t r o ls t r u c t u r ew i t hf i e l dw e a k e n i n g 1 8 异步电机传动系统变频调速原理 如图2 1 3 所示，为带开环弱磁调速控制的矢量控制框图。给反馈信号u 。和。， 判断电机到达弱磁区时，给定子电流一个磁链分量一么，使= 屯2 + 0 2 一， 减小了电机的磁链分量。f ，为电机定子电流的最大输出值。 以上即为转子磁场定向的异步电机矢量控制原理。由于d q 坐标系按转子磁场 定向，定子电流分解成为两个空间解耦的分量五和t 。，控制了电机的磁链的大 小，乞。控制了电机电磁转矩的大小，从而实现了类似于直流电机的控制方法，使 异步电机的控制性能大大改善。 2 4 一种改进的异步电机矢量控制方案单神经元网络矢量控制 2 4 1异步电机传统矢量控制建模 在矢量控制系统中，通常总是把d - q 参考坐标系放在同步旋转磁场上。通过 旋转坐标变换，把参考坐标系的d 轴始终放在转子磁链矢量”的方向上，因此d 轴磁链= 虮，q 轴磁链= o ，这样简化了系统的复杂性。 转子磁场定向可以得到自然的解耦控制，电动机转矩可以表示成： z ：3 n p l , i q s ( 式2 - 2 8 ) 2 l , 式中乏、刀p 、l 分别是电机的转矩、同步速度、转子电感、转子 与定子互感。假设同步转速n 。、转子电感t 、转子与定子互感乙不变时，控制d 轴电流么不变保持磁链恒定，只要控制q 轴电流0 就能调节输出转矩乏的大 小，实现控制转速和磁链的目的。 在异步电机矢量控制系统中，传统的p i 控制器用于转子磁链和电机速度调节 速度。其控制规律为： “( 七) 2 巧e ( 尼) 4 - 墨善e ( 七) 4 - 局 e ( 后) 一p ( j | 一1 ) ( 式2 - 2 9 ) l p ( 尼) = y ( 七) 一，( 足) 式中“( 七) 为传统p i 控制器的输出，y ( k ) 、厂( 后) 分别为被控制系统的实际输 出和期望输出，e ( k ) 为偏差信号，巧、墨、巧为p i 控制器的比例、微分和积分 增益，k 为采样时刻。如图所示，为传统的异步电机矢量控制模型。 通过调整控制参数，传统p i 控制器能够实现精度要求不高的异步电动机矢量 控制，但不能满足高性能的调速要求，因为它是一种基于对象模型已知、参数不 变基础上的线性控制，而且对于控制参数的整定，主要凭经验，一经整定基本不 变，很难获得参数的全局性最优值，表现出较差的自适应性与鲁棒性。 1 9 北京交通大学硕+ 学位论文 图2 1 4 异步电机传统矢量控制建模 f i g u r e 2 - 1 4t h ep r i n c i p l eg r a p ho f t h ev e c t o rc o n t r o lo f i n d u c t i o nm o t o rd r i v e 神经网络可以任意逼近线性或非线性系统，可以实现几乎所有的常规非线性 与不确定系统的控制；所有的定量或定性信息都分布、存储于神经网络的各个神 经元中，具有较强的鲁棒性与容错性；但神经网络层数越多，结构越复杂，权值 学习时间越长，越不利于实时控制。单个神经元具有神经网络的优点，因此可以 用单神经元对传统p i 控制器【3 0 】【3 l 】的控制参数进行自动调节，以改善异步电机矢量 控制的调速性能。 图2 一1 5 是单神经元的原理框图，如为系统的控制信号，民与系统的实际输出 经过变量转换模块转换为单神经元的输入信号而( i = 1 , 2 ，3 ) ，“是单神经元的输出，k 是单神经元控制器的放大系数。 单神经元的控制法则主要包括无监督的h e b b 学习规则与有监督的d e l t a 学习 规则，将这两种学习规则相结合得到了一种改进型的单神经元控制法则： 图2 一1 5 单神经元的原理框图 f i g 2 - 1 5t h ep r i n c i p l eg r a p ho f t h es i n g l en e u r o nc o n t r o l l e r 1 ( 后) = “( j | 一1 ) + k 芝：w ：( 七) ( 七) j = l 1 ( 七) = _ ( | | ) i ( 后) i ( 式2 3 0 ) ( 式2 - 3 1 ) 异步电机传动系统变频调速原理 m ( 后) = w , ( k - d + 刁? p ( j ) “( 七) - ( p ( 七) + “七) ) ( 式2 - 3 2 ) ( | j ) = w 2 ( | 一1 ) + e ( | i ) 甜( | i ) ( p ( j ) + 启( 后) ) ( 式2 3 3 ) w 3 ( k ) = w 3 ( 七一1 ) + 刁b d 七) “( 后) ( p ( 后) + d 七) ) ( 式2 - 3 4 ) 反动= d j i ) 一e ( k 1 )( 式2 3 5 ) a 2 p ( 露) = e ( i | ) 一2 x e ( k 1 )( 式2 - 3 6 ) k ( 七) i u m , ( 式2 - 3 7 ) 式中五( 七) = 舷) ；屯( 露) = 缸( j ) ；而( 露) = 2 d 露) ；仉、靠、分别为积分、比例和微 分的学习速率；“露) 为指令信号毛和实际输出信号y o u t 的差值；为推力指令的 最大值限制。 单神经元控制器放大系数k 的确定对系统的稳定影响很大：爱越大则神经元 控制器的输出调节量越大，快速性好，对速度信号的跟踪能力强，但如果鬈过大 则系统超调变大，调节时间变长，甚至引起系统的振荡。k 越小则系统调节输出 变小，调速系统越稳定，但k 过小则系统的响应速度变差，速度跟踪能力降低。 所以确定参数时先确定合适的鬈值。当确定足值后再确定积分、比例和微分的学 习速率仇、靠、的值，它们值的选择范围比较宽，可以通过仿真调试确定，图 2 - 1 6 中单神经元控制器的参数为：k = 1 0 0 0 ，仇= o 0 2 ，= 5 ，= o 2 ， u 一= 8 0 0 。 图2 1 6 异步电机单神经元矢量控制原理图 f i g 2 1 6t h ep r i n c i p l eg r a p ho f t h ev e c t o rc o n t r o lo f i n d u c f i o nm o t o r d r i v eb a s e do nt h es i n g l e n e u r o nc o n t r o l l e r 2 5 仿真分析 由上文知道，用单神经元矢量控制【2 4 1 ，系统会有更好的响应速度和动态特性， 下面将对其在基于m a t l a b 的s i m u l i n k 下的仿真模型进行分析 2 5 1 基于m a t l a b 的s i m u l i n k 下的仿真模型 用m a t l a b 软件的s i m u l i n k t 4 3 1 功能对传统矢量控制和单神经元矢量控制其进行 2 1 北京交通人学硕十学位论文 仿真。图2 1 7 、2 1 8 、2 1 9 为m a t l a b 下的仿真模型： c o n s t a n t t o r q u e v e c t o rc o n t r o i c o h s t a n t s p e e d i 。卜弋 d u l 5 e s s p e e d，川2 。c i 几一 叫厂 t o r 口u 。t o r q u e r e f e r e n ? e麓： 武e p s e i e c t j o ns d e e d ( n m ) s e l e c t i o n ( r a d l s ) t m g l - j】 疋一 h + i 一m 二一 爷 1 日一 嵫 c 1 1 n d u c t i o nm o t o ri g 日ti n v er t er v a bs o o p e i + lv a b 1u 恼b c 二 il a b o 嗍 l r o t o rs p e e d 伽m ) l 。 r o t o rs p e e d 和m p r b e c t m m a g n e t i ct o r q u e r e ( n 。m p - l + 匡卜固 。= = 刁 it ；：d i 2 s c 。r e 。t 。e 6 ； ，、：兰：i v d c 图2 1 7 基于单神经元异步电机矢量控制仿真模型 f i g 2 - 1 7s i m u l a t i o nm o d e lo f t h ev e c t o rc o n t r o lo f i n d u c t i o nm o t o rd r i v eb a s e d0 nt h es i n g l en e u r o n c o n t r o l l e r 异步电机传动系统变频调速原理 幽2 1 8v e c t o rc o n t r o l 模块内部仿真模掣! f i g 2 18s i m u l a t i o nm o d e lo f v e c t o rc o n t r o lm o d u l e 图2 1 9 基于单神经元p i 控制的算法模型 f i g 2 - 1 9s i m u l a t i o nd i a g r a mb a s e do i lh es i n g l en e u r o nc o n t r o l l e r 2 5 2 仿真波形 仿真时间设为2 s 。图2 2 0 是传统矢量p i 控制下的仿真波形，图2 2 1 ( a 、b 、 c ) 是基于单神经元矢量控制下的仿真波形，上面的为转子速度( 彩o m ) ，下面的 为电磁转矩( m ) 。从这三幅图可以看出单神经元p i 控制比传统p i 控制能更 好更快地达到指令值，当电机参数发生变化时，单神经元p i 控制不会产生很大的 超调，具有更优良的鲁棒性、快速性和自适应性。 北京交通人学硕十学位论文 图2 2 0 传统矢量p i 控制卜- 电机启动时的仿真波形 f i g 2 2 0s p e e dr e s p o n s ec u r v e b a s e do nt h et r a d i t i o np ic o n t r o l l e r 图2 2 1a 单神经元p i 控制下速度响应曲线 f i g 2 2 1as p e e dr e s p o n s ec u r v eb a s e do nt h es i n g l en e u r o np ic o n t r o l l e r ? 图2 - 2 1b 单神经元p i 控制下电机调速时的波形 f i g 2 21bs p e e dr e s p o n s ec u r v eb a s e d o nt h es i n g l en e u r o np ic o n t r o l l e r 图2 2 1c 单神经元p i 控制下速度响应曲线 f i g 2 21cs p e e dr e s p o n s ec u r v eb a s e do nt h es i n g l en e u r o np ic o n t r o l l e r 从图2 2 1 还可以看出当电机速度变化时，采用单神经元p i 控制不论在电 2 4 异步电机传动系统变频调速原理 机参数固定还是变化时鲁棒性高，超调量小，反应速度快，具有更好的动态性能。 负载变化时，采用不同的p i 控制器对电机磁通的影响不是很明显。 仿真结果表明传统矢量p i 控制和单神经元p i 控制都能使系统达到稳定。但 由于单神经元p i 控制有良好的自适应和在线自学习特性，在异步电机负载参数发 生变化时，采用单神经元p i 控制时，系统有更快的速度响应、更小的超调和更好 的鲁棒性，通过仿真结果进一步验证了单神经元矢量控制的这些优良特性。 控制系统主体结构及主电路设计 3 控制系统主体结构及主电路设计 该电动游览车采用的是1 0 0 v ，5 5 k w 的4 极异步电动机，额定转速为 1 5 0 0 r m i n 。采用1 2 节1 2 v 大容量深循环铅酸蓄电池串联供电，额定电压为1 4 4 v 。 采用基于d s p 2 4 0 7 的主控芯片的控制电路，用西门康驱动模块设计的i g b t 驱动 电路来驱动i g b t ，逆变器容量：9 k v a ，逆变器输出电压：1 0 0 v ，逆变器效率： 9 7 ，逆变器输出频率：0 - 2 0 0 h z 。 3 1 控制系统主电路结构 如图3 1 为控制系统的主电路结构图【3 5 】，该主电路可以由控制器通过控制六 个开关管的开通关断产生p w m 脉冲，来实现对直流电源的逆变，达到对异步电机 变频调速的目的。 t int 5 l ， 2 一 z 一一 。一 卜卜、 = + 1 4 4= c i ， v 4 7 附、 乜1 41 6 一一 p 卜、 2 l 又 zs 、y 2s 3 1 1 输入电源 图3 - 1 控制系统主电路结构 f i g 3 - 1t h em a i nc i r c u i to ft h ec o n t r o ls y s t e m 上文中提到过，电动游览车是由1 2 节1 2 v 大容量深循环铅酸蓄电池串联起来 提供的，蓄电池额定功率：6 k w ，蓄电池额定容量：8 0 a h 。 3 1 2 直流侧滤波电容的设计 2 7 北京交通人学硕十学位论文 三相直流储能电容的作用主要是在滤除，在直流侧谐波电流的同时，使逆变 器直流侧具有较大的输出阻抗，即使其呈现电压源的特性。 一般而言，直流储能电容设计应考虑两个方面的因素：其一，直流电容必须 足够大，从而使三相逆变器直流侧具有较大的输出阻抗，以抑制直流电压的脉动； 其二，为使三相逆变器直流电压具有足够快的动态电流响应，直流电容的取值必 须受到限制。因此，在车用电机驱动器的母线输入端，设置了滤波电容器，本文 选用日立公司一个4 7 0 0 1 tf 4 5 0 v 的电解电容并联在母线输入端。通过电容支架固 定，与功率模块平行布置。 3 1 3 开关器件的选择 电动机可变速驱动装置，随着双极型功率晶体管模块和功率m o s f e t 的出现， 已经起了很大的变化。这些使用交换元件的各种电力变换器也随着近年来节能、 设备小型化轻量化等要求的提高而急速地发展起来。但是，电力变换器方面的需 求，并没有通过双极型功率晶体管模块和功率m o s f e t 得到完全的满足。双极型 功率晶体管模块( g t r ) 虽然可以得到高耐压、大容量的元件，但是却有交换速 度不够快的缺陷。而功率m o s f e t 虽然交换速度足够快了，但是存在着不能得到 高耐压、大容量元件等的缺陷。 绝缘栅双极晶体管i g b t 1 7 1 1 8 】【1 9 1 是m o s f e t 和g t r 的复合器件，它具有跟 g t r 一样的功率处理能力，也跟功率m o s f e t 类似的开关特性。工作速度快，输 入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好，而且载流量大、阻断电压高。基于以上 特点本设计采用i g b t 作为主控元件，参数选择如下： 额定电流的选择：i g b t 额定电流的选择要考虑实际电路中的最大额定电流， 负载类型，允许过载的程度等因素。一般取电流最大值两倍到3 倍的裕量。 额定电压的选择：考虑电网瞬间尖峰、电压波动、开关电流引起的电压尖峰 等，选择耐压值为两倍加在其上的电压。 根据系统的设计参数，通态峰值电流：l ：2 x 2 x 4 3 5 ：1 2 3 a 。最大承受的电压 为吒2 u d = 2 x 1 4 4 = 2 8 8 v 。选用英飞凌公司i g b t 模块，型号为：b s m3 0 0g b 6 0 d l c ，该模块为2 合1 桥臂型i g b t ，内部为2 个串连的i g b t 开关管，其耐压 值6 0 0 v ，额定电流值3 0 0 a ( 2 5 ) 。 3 1 4 缓冲吸收回路设计 因为i g b t 的交换速度很快，i g b t 关断时，或者反向二极管反向恢复时会产 2 8 控制系统主体结构及主电路设计 生很高的d i d t ，由模块周边的配线电感引发罐出电压( 关断浪涌电压) 。 缓冲电路【1 7 】【3 4 1 用以控制关断浪涌电压以及续流二极管恢复浪涌电压。在某些 应用中，缓冲电路通过提供附加的电流路径，使功率器件开关时的电压电流相互 错开，以减少开关瞬耗。缓冲电路类型和所需元件值极大地决定于功率电路的布 局结构。 一般i g b t 的缓冲电路有三种结构，如图所示。缓冲电路a ) 由一个低感电容组 成，由主回路电感和缓冲器电容形成的l c 回路，容易使电压波动，在小功率设计 时，这种缓冲电路用作对瞬变电压有效而低成本的控制。 缓冲电路b _ ) 使用快恢复二极管解决了这个问题，该二极管可钳住瞬变电压， 从而抑制谐振的发生。缓冲电路b ) 的r c 时间常数为开关周期的三分之一时效果最 好。但b ) 的结构回路寄生电感较大，以至不能有效的控制瞬变电压。 缓冲回路曲由于直接连接到每个i g b t 的集电极和发射极，具有较小的回路电 感。 图3 - 2 三种缓冲吸收电路 f i g 3 - 2v o l t a g ec o n t r o ls n u b b e r s 在电动游览车上，主电路功率并不是很大，为了简化主电路，本文选用缓冲 电路a ) 。根据经验估算的办法，通常以每1 0 0 a 集电极电流约取1l af 缓冲电容值。 这样得到的值，对于很好地控制瞬态电压是充分的。本文选用美国c d e 无感电容， 电容模块为一单元缓冲电容封装，构成图a ) 缓冲电路。适用于中、小电流容量的 i g b t 模块，以吸收高反峰瞬变电压。其特点是，低介质损耗，低电感( 2 0 n i l ) ，有 自修复能力，防火树脂封装，直接安装在i g b t 模块上。 3 1 5 电磁兼容问题 按照国际电工委员会( iec ) 发布的iec5 卜161 电磁兼容术语的规定， 电磁兼容性是电子设备的一种功能，电子设备在电磁环境中能完成其功能，而不 2 9 北京交通大学硕十学位论文 产生不能容忍的干扰。电磁骚扰的定义是：任何可能引起装置、设备或系统性能 降低或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁干扰的定义是： 由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能下降的现象。电磁干扰是客观存在 的一种物理现象。形成电磁干扰必须同时具备三个基本要素：电磁干扰源、耦合 途径和敏感设备。可见，解决变频调速传动系统的电磁兼容性问题就是抑制或消 除其电磁干扰。 本文设计的电机控制器采用了多种防电磁干扰的措施：把控制器固定，安装 于铁壳内既能屏蔽向外辐射能量，又能防止外界电磁波进入控制系统；对于控制 器所用到的信号线都用屏蔽线来连接；内部控制电路板和i g b t 用铁板隔开，防止 电磁干扰；直流侧采用无感铜排与i g b t 相连，尽量减少主电路的杂散电感的影响； 软件中采用数字滤波技术对采集到的数据进行消除干扰的处理。 3 1 6 散热器及安装 功率器件的正常运行，很大程度上取决于散热器的合理选配，以及期间与散 热器之间的装配质量。散热器是以对流和辐射的方式将热能传到环境中去的，散 热器热阻与散热器材质、结构、表面颜色、冷却方式及安装位置有关。散热表面 通常应发黑处理或钝化，借以提高辐射系数，一般黑色散热器比光亮散热器可减 少1 0 1 5 的热阻；由于热气流相对密度轻，自然向上流动，所以散热器应向上 安放，便于散热；对