（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的混合励磁无刷直流电机控制研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e r e s e a r c ho nh y b r i de x c i t a t i o nb r u s h l e s sd i r e c t c u r r e n tm a c h i n ec o n t r o ib a s e do nd s p c a n di d a t e ：hu a n gh o n g gu a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f l iy o u x i n s s o c l a t e o u xn1 m a y 2 0 10 s c h o o lo fi n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 无刷直流电机系统是一种较为理想的电动汽车上的电机驱动系统，但是无刷 直流电机中永磁体对外加磁势的磁阻很大，主极磁场难以调节致使这种电机使用 范围受限。混合励磁无刷直流电机是在普通无刷直流电机的基础上改造而出现的 新型电机，既保留了无刷直流电机所有优点，同时又具有磁场可调的特性，在电 动汽车电机驱动领域具有很好的应用前景。由于电励磁的存在，混合励磁无刷直 流电机控制系统需要协调控制电枢电流与励磁电流，电机的控制变得更加复杂。 本文从电动汽车运行角度出发对混合励磁无刷直流电机控制系统的控制软 件设计及系统硬件的实现进行了深入的研究。在介绍混合励磁无刷直流电机基本 原理的基础上，结合电动汽车运行工况将控制系统运行方式分为低速零励磁、低 速增磁、高速零励磁及高速弱磁等四种，分别给出了对应的控制策略；同时基于 t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对控制系统硬件进行了设计，配合硬件架构 及控制策略设计了相关控制软件。 最后，将本文设计系统在实验室混合励磁无刷直流电机样机上进行了调试， 在低速段引入增磁后效果较明显，实验数据分析结果与理论相符合。 关键词：混合励磁；电动汽车：d s p ；控制策略 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t b l d c ms y s t e mi sa l li d e a le l e c t r i cv e h i c l e sm o t o rd r i v es y s t e m ，h o w e v e r , p e r m a n e n tm a g n e tb l d c m sm a i np o l em a g n e t i cf i e l di sd i f f i c u l tt or e g u l a t el e dt o l i m i t e du s e h y b r i de x c i t a t i o nb l d c mi san e w t y p em o t o r , w h i c hn o to n l yr e t a i n sa l l t h em e r i t so fb l d c m ，b u ta l s oh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fa d j u s t a b l em a g n e t i cf i e l d ，i n t h ef i e l do fe l e c t r i cv e h i c l em o t o rd r i v eh a sag o o dp r o s p e c t s i n c et h ee x i s t e n c eo f e l e c t r i c a le x c i t a t i o n ，t h eh e b l d c mc o n t r o ls y s t e mn e e d st oc o o r d i n a t ec o n t r o lo f a r m a t u r ec u r r e n ta n de x c i t a t i o nc u r r e n t ，s om o t o rc o n t r o lb e c o m e sc o m p l i c a t e d f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fe l e c t r i cv e h i c l e sd e p t hr e s e a r c ho nh e b l d c mc o n t r o l s y s t e mc o n t r o ls o f t w a r ed e s i g na n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n i ni n t r o d u c i n gt h e h e b l d c mb a s e do nf u n d a m e n t a l p r i n c i p l e s ，c o m b i n e dw i t h e l e c t r i cv e h i c l e o p e r a t i n gc o n d i t i o n st oc o n t r o ls y s t e mo p e r a t i o ni sd i v i d e d i n t o f o l l o w i n g f o u r c a t e g o r i e s ：l o w s p e e dz e r o e x c i t a t i o n ，l o w - s p e e db ym a g n e t i c ，h i g h - s p e e d z e r o - e x c i t a t i o na n dh i g h s p e e dw e a km a g n e t i c ，a n dg i v e nt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o l s t r a t e g y b a s e do nt i st m s 3 2 0 f 2 8 12d s pc h i pd e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r e ， w i t ht h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n dc o n t r o l s t r a t e g yd e s i g no ft h e r e l a t e dc o n t r o l s o f t w a r e f i n a l l y , t h ep a p e rd e s i g no fh e b l d c mc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nt e s t e do nt e s t p l a t f o r m ，a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no fa d d i t i o n a lm a g n e t i ce f f e c ti so b v i o u s ，a n dt h e e x p e r i m e n t a ld a t ac o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k e yw o r d s ：h e b l d c m ；e l e c t r i c a lv e h i c l e s ；d s p ；c o n t r o ls t r a t e g y i i 目录 目录 摘要1 a b s t r a c t i i 目录i i i c o n t e n t s v 第一章绪论1 1 1 课题的来源及意义l 1 2 电动汽车电机驱动系统发展现状与趋势2 1 3 混合励磁电机研究及发展现状3 1 4 本文研究内容6 1 5 本章小结6 j 、 第二章混合励磁无刷直流电机系统基本理论27 2 1 混合励磁无刷直流电机系统构成7 2 1 1 混合励磁无刷直流电机结构及调磁原理，7 2 1 2 转子位置传感器9 2 1 3 功率控制器10 2 2 混合励磁无刷直流电机数学模型1 l 2 3 混合励磁无刷直流电机系统工作原理1 3 2 4 本章小结15 第三章控制系统硬件架构16 3 1 硬件系统总体框架1 6 3 2 主控芯片选型及介绍l7 3 3 主电路及励磁电路设计2 0 3 3 1 主回路功率模块选择2 0 3 3 2 励磁功率电路设计2 l 3 4 控制板接口电路设计2 2 3 4 1 外设电源电路2 2 3 4 2 位置信号处理电路2 2 3 4 3a d 采样调理电路2 4 广东工业大学硕士学位论文 3 4 4 通信接口电路2 4 3 5 本章小结2 6 第四章控制系统软件设计2 7 4 1 系统控制策略分析2 7 4 1 1 低速运行控制策略2 7 4 1 2 高速运行控制策略2 9 4 2 系统软件设计：31 4 2 1 集成开发环境介绍3l 4 2 2 系统软件资源分配3 l 4 2 3 主要程序框图3 4 4 2 4 控制算法选择3 7 4 3 本章小结4 0 第五章系统调试与结果分析4 1 5 。1 实验平台简介4 l 5 2 调试结果与分析4 2 5 2 1 电机发电测试实验4 2 5 2 2 系统实验数据及分析4 3 5 3 本章小结4 7 总结与展望4 8 参考文献5 0 攻读学位期间发表论文5 3 独创性声明5 4 致谢5 5 附录5 6 i v c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i c o n t e n t ( i nc h i n e s e ) i i i c o n t e n t ( i ne n g l i s h ) v c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n i 1 it h ek n o w l e d g eb a c k g r o u n da n ds i g n f i c a n c eo f t h i sd i s s e r t a t i o n 1 1 2m o t o rd r i v es y s t e mf o re vs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n d 2 1 3r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts t a t u so fh y b r i de x c i t a t i o nm a c h i n e 3 1 4m a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sp a p e r 6 1 5s u m m a r i z e 6 c h a p t e r2t h e b a s i ct h e o r yo fh y b r i de x c i t a t i o nb l d c m s y s t e m 7 2 1h y b r i de x c i t a t i o nb l d c ms y s t e ms t r u c t u r e 簪j7 2 1 1h y b r i de x c i t a t i o nb d c l ms t r u c t u r ea n dt o n em a g n e t i cp r i n c i p l e 7 2 1 2r o t o rp o s i t i o ns e n s o rd e s c r i p t i o n 9 2 1 3p o w e rc o n t r o l l e rd e s c r i p t i o n 10 2 2m a t h e m a t i c a lm o d e lo fh y b r i de x c i t a t i o nb l d c m 11 2 3o p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fh y b r i de x c i t a t i o nb l d c ms y s t e m 13 2 4s u m m a r i z e 15 c h a p t e r3c o n t r o ls y s t e mh a r d w a r e a r c h i t e c t u r e 16 3 1o v e r a l lf r a m e w o r ko fs y s t e mh a r d w a r e 16 3 2s e l e c t i o na n dd e s c r i p t i o no fm a s t e rc h i p 17 3 3m a i nc i r c u i ta n de x c i t a t i o nc i r c u i td e s i g n 2 0 3 3 1m a i nc i r c u i tp o w e rm o d u l es e l e c t i o n 2 0 3 3 2e x c i t a t i o np o w e rc i r c u i td e s i g n 2 1 3 4c o n t r o l l e ri n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n 2 2 3 4 1p e r i p h e r a lp o w e rs u p p l yc i r c u i t 2 2 3 4 2p o s i t i o ns i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t 2 2 3 4 3a ds a m p l i n gc o n d i t i o n i n gc i r c u i t 2 4 3 4 4c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t 2 4 3 5s u m m a r i z e 2 6 c h a p t e r4c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 2 7 v 广东工业大学硕士学位论文 ! i , l i ii , it i m 鼍詈詈毫皇皇葛皇詈葛詈皇暑鼍 4 1a n a l y s i so fc o n t r o ls t r a t e g y 2 7 4 1 1l o w - s p e e do p e r m i o nc o n t r o ls t r a t e g y 2 7 4 1 2h i g h - s p e e do p e r a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y 2 9 4 2c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 。31 4 2 1c c si n t r o d u c t i o n 3i 4 2 2s o f t w a r er e s o u r c ea l l o c m i o n 31 4 2 3m a j o rb l o c kd i a g r a m 3 4 4 2 4c o n t r o la l g o r i t h ms e l e c t i o n 3 7 4 3s u m m a r i z e z i ( ) c h a p t e r5s y s t e mt e s t i n ga n dr e s u l t sa n a l y s i s 4 1 1 ；1i n t r o d u c t i o no f e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 4 1 5 2e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s 4 2 5 2 1g e n e r a t ee l e c t r i c i t ye x p e r i m e n t 4 2 5 2 2c o n t r o ls y s t e me x p e r i m e n t a ld a t aa n da n a l y s i s 4 3 1 ；3s u m m a r i z e z 1 7 s u m m a r ya n dp r o s p e c t 4 8 r e f e f e n c e s ! ；( ) p u b l i c a t i o n sd u r i n gt h ed e g r e ep e r i o d 5 3 p r o m e t h e a nd e c l a r a t i o n ：；z i a c k n o w l e d g e m e n t s 5 5 a p p e n d i x 5 6 v l 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论弟一早三百了匕 能源紧缺与环境污染等问题带来的负作用同益增加，使电动汽车在近些年成 为世界各国竞相研究的热点，目前各国都投入大量的人力物力对电动汽车进行研 究，电动汽车迎来了良好的发展契机。 由于电动汽车普遍采用的是电池供电，储存能量有限，这样一来电机驱动系 统的效率及性能直接影响到了电动汽车整车的效率和性能，一个性能优越的电机 驱动系统应该具有尽可能宽的调速范围和良好的转矩与速度特性，以及良好的可 靠性和稳定性。 随着电力电子技术和控制技术的不断发展，电动汽车的电机驱动系统由最初 的直流电机驱动系统逐步被交流异步电机( i n d u c t i o nm o t o r , i m ) 、永磁同步电机 ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，p m s m ) 、开关磁阻电机( s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ，s r m ) 、永磁无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，b l d c m ) 等 交流电机所构成的驱动系统所取代。永磁无刷直流电机良好的电动性能使其在电 动汽车的应用逐渐广泛起来【l 】，但是这种电机主极磁场难以调节，弱磁升速较困 难，调速范围有限。混合励磁无刷直流电机( h y b r i de x c i t a t i o nb l d c m ， h e b l d c m ) 是在永磁无刷直流电机基础上发展起来的新型电机，其主极磁通由 永磁磁通与可调的励磁磁通两部分组成，通过调节励磁电流可实现增磁与弱磁， 使永磁无刷直流电机的调速范围与峰值电磁力矩大大增加，扩大了永磁无刷直流 电机的使用范围，较好地解决了无刷直流电机磁场调节困难的问题，是一种很有 发展前景的新型电机。将混合励磁无刷直流电机应用于电动汽车驱动系统，能够 更好地满足汽车运行中爬坡、加速及高速行驶时的转矩和速度要求，在适应不同 负载方面具有较为明显优势，将有利于电动汽车驱动系统的发展1 2 , 3 j 。 课题来源于国家8 6 3 科技攻关项目“五洲龙混合动力客车开发与产业化 ( 编号：2 0 0 6 a a l1 a 1 2 1 ) 。该项目由广东工业大学电动汽车驱动装置重点实验 室和深圳市五洲龙汽车有限公司合作进行，其中深圳市五洲龙汽车有限公司负责 汽车的整体结构的设计及生产，广东工业大学电动汽车驱动装置实验室主要负责 电动汽车驱动装置的设计。设计一个具有自主知识产权且性能优越的电机驱动系 广东工业大学硕士学位论文 统是该项目的重要组成部分，本课题主要对混合励磁无刷直流电机的控制进行研 究，并最终将该控制系统应用于电动汽车驱动系统。 1 2 电动汽车电机驱动系统发展现状与趋势 作为电动汽车重要组成部分，电机驱动系统的主要作用就是将能量存储系统 输出的能量转化为机械能来驱动电动汽车，使之能够运行于各种工况。鉴于电动 汽车运行工况的复杂性，对电机驱动系统提出了很高的要求f j ，4 j ：( 1 ) 高瞬时功 率和能量密度；( 2 ) 过载能力强，加速性能良好；( 3 ) 低速大扭矩，用以满足带 负载起动和爬坡的要求；( 4 ) 在恒转矩和恒功率工作区域具有较宽的调速范围； ( 5 ) 能量利用率高，单次充电的续航罩程长；( 6 ) 在各种工况下具有高可靠性 和鲁棒性：( 7 ) 再生制动效率高；( 8 ) 成本合理。 电机驱动系统的发展与电机、电力电子器件、微电子技术及控制算法的发展 密切相关。按照驱动电机对电机驱动系统进行分类，可分为直流电机驱动系统和 交流电机驱动系统两大类i ”6 】。 直流电机的电磁转矩控制可通过独立地调节电枢电流或励磁电流来实现。采 用直流斩波器对直流电压( 或电流) 进行控制，给定不同的电枢电流，用电流闭 环控制就能实现对转矩的控制，不需要位置传感器。直流驱动系统结构简单，成 本很低，调速范围广，响应性能好，谐波小，系统效率高。但是直流电机结构上 存在电刷和换向器，导致电机结构复杂，运行时有火花产生，需要定期维护，可 靠性低，对环境的要求很高，应用场合有所限制。 随着电力电子技术、微电子技术及自动化控制技术在近二十年的迅速发展， 交流驱动技术也取得了突飞猛进的发展 6 7 l 。与直流电机相比较，交流电机具有效 率高、生产成本低和免维护等优点。目前，交流电机驱动系统按电机种类可分为 以下3 种： 1 、交流异步电驱动系统1 6 , ，l 交流异步电机驱动系统由交流异步电动机、控制器和速度传感器等组成。电 机的定子和转子铁心采用硅钢片叠压而成，定子和转子绕组分别嵌入铁心的槽 中，两者间没有相通的导电部件。在这种调速系统中最为成熟的控制方式是矢量 控制，但是这种控制方式低速运行时性能不是很理想，系统动态响应和动态特性 2 第一章绪论 不如直流调速系统。 2 、开关磁阻电机驱动系统【。】 开关磁阻电动机( s r m ) 基于磁阻最小原理工作，其驱动系统由s r m 、位 置传感器和控制器三部分组成。s r m 所构成的驱动系统的主要特点是起动力矩 大，起动电流小，动态响应快，调速范围大，高效率区宽，其最大不足之处在于 电机采用双凸结构，转矩脉动大，控制系统较复杂，工作噪声大。 3 、交流永磁电机驱动系统。】 随着稀土永磁材料价格下降和电力电子器件性能的不断提高，交流永磁电机 在高性能调速系统和伺服系统中的应用同益广泛。根据反电势不同，可将交流永 磁电机分为正弦波驱动的永磁同步电机和方波驱动的无刷直流电机。 永磁同步电机的转子由永磁体构成，效率高，性能好，在采用矢量控制时， 可以得到很好的动、静态性能，但是和直流电机相比还存在一定的差距。无刷直 流电机采用方波励磁，永磁材料的利用率相对永磁同步电机而言得到了很大的提 高，电机体积也减小了很多，功率密度比永磁同步电机高，效率也更高，具有与 直流电动机一样优越的调速性能，并且免去了机械换向装置。从综合性能来看， 永磁无刷直流电机是一种更为理想的调速系统【一l 。 但是无刷直流电机中的永磁体对外加磁势的磁阻很大，因此电机主极磁场很 难调节，当电机转速升高时，电机的反电势也随之升高，这样电机就难以通过弱 磁以进入高速区域内运行，限制了无刷直流电机的应用范围。 混合励磁无刷直流电机采用增加励磁绕组及在转子侧安装铁芯极作为调磁 极的方式，较好地解决了永磁电机励磁调节困难及电励磁电机效率低的问题【2 3 1 。 1 3 混合励磁电机研究及发展现状 “混合励磁”这个概念最早由俄罗斯学者提出，混合励磁电机是指改变传统 电机的拓扑结构，由两种磁势源共同产生电机磁场，实现电机磁场调节和控制， 改善电机调驱动性能或者调压特性的新型电机。与永磁电机比较，它具有调整气 隙磁场的能力；与电励磁同步电机相比较，混合励磁电机的励磁损耗大大减少。 由于混合励磁电机结合了永磁电机和电励磁电机的优点，同时又克服了这两种电 机各自的缺陷，从而得到了多方面的关注，成为当前的研究热点p o 。 广东工业大学硕士学位论文 美国的t a l i p o 教授对混合励磁电机进行了深入研究，提出了轴向磁场中 间磁极的混合励磁电机结构【。日本t m i z u n o 博士于1 9 9 4 年提出了轴向径向磁 路混合励磁同步发电机 1 2 1 。阿尔及利亚学者h m a r a y 等提出了转子永磁型混合励 磁同步电机1 1 3 】。 国内对混合励磁电机的研究起步有些晚，较早提出混合励磁这个概念的是广 东工业大学王鸿贵教授等。广东工业大学电动汽车驱动装置实验室申请了混合励 磁无刷直流电机的发明专利，其中李优新副研究员于1 9 9 7 年就获得了广东省自 然科学基金对混合励磁无刷直流电机项目的资助1 1 4 1 ，目前该实验室在国内混合励 磁无刷直流电机研究方面占据领先地位。上海大学的江建中教授及黄苏融教授也 在混合励磁电机研究领域有着卓越的贡献 i s 1 6 】。沈阳工业大学的唐任远教授等对 轴向磁场混合励磁同步电机进行了深入研究【1 7 1 。南京航空航天大学的陈海镇教授 和窦一平博士提出一种磁路独立式混合励磁同步发电机结构f i 。i 。香港大学陈清泉 教授等对爪式混合励磁同步电机有着深入的研究，并将这种电机应用在电动汽车 电机驱动系统上【1 9 l 。 混合励磁电机自出现以来，引起了各国专家学者的关注，新的电机结构也不 断出现。目前，混合励磁电机约有7 种典型拓扑结构【2 0 l ： 1 、爪极电励磁永磁同步电栅- 。l 在永磁同步电机的基础上加上爪极结构的电励磁部分而构成的，转子部分与 径向磁化结构永磁电机转子相似，永磁体外安装导磁体极靴，并在极靴之间安装 非导磁体，爪极部分的电励磁绕组及其导磁支架固定不动，省去了滑环和电刷， 实现了无刷励磁。这种电机附加气隙大、磁路长，永磁磁通和励磁磁通耦合较强。 2 、顺极式混合励磁同步电机引】 这种电机在定子电枢绕组增加与电枢绕组正交的励磁绕组，这样一来电机定 子由电枢绕组、定子铁心、定子背轭及励磁绕组组成。电机转子被分成n 极端和 s 极端两部分，每个磁极端由永磁磁极和铁磁极交错排列，两端的n 、s j k 磁磁极 和调磁极相互错开。励磁磁通和永磁磁通两种磁通呈并联关系，电机附加的气隙 较多，磁路磁阻较大。 3 、混合励磁爪极式电栅：j 这种电机主要由定子、转子爪极、转子磁轭、永磁磁极和励磁绕组等几个部 分组成。爪极式混合励磁电机中同时存在轴向和径向磁通，以径向磁通为主，励 4 第一章绪论 磁电流所产生的磁通与永磁磁通在磁路上呈并联关系，通过控制励磁绕组中电流 的大小和方向，可以灵活地调节气隙磁场。 4 、组合转子混合励磁电机1 2 3 2 4 1 这种电机的定子与普通交流电机定子一样，转子由冲片形转子和表贴式永磁 转子两个部分组成。永磁磁通只在永磁磁路中流通，励磁磁通则只在磁阻段中流 通。这种电机的转子上存在励磁绕组，需要通过电刷及滑环为励磁绕组供电，电 机结构较复杂。 5 、变极数转子混合励磁电机 2 s l 这种电机转子上同时存在永磁磁极和电励磁极，定子与普通多相电机定子结 构相似。通过调节励磁电流，电机气隙磁场发生变化，极数也可以随之改变。由 于励磁绕组在转子上，因此电机结构上存在电刷和滑环。 6 、环形定子横向磁通电机【2 6 】 在这种电机拓扑中，永磁磁极和励磁绕组产生的磁场为轴向磁场，两种磁势 呈并联状态，励磁绕组安装在定子上，省去了滑环和电刷。这种电机既可用作发 电机，也可用作电动机。 “， 7 、混合励磁双凸极电栅z 7 】 混合励磁双凸极电机是在双凸极永磁电机结构上加入励磁绕组改造而成的。 这种电机的永磁体和励磁绕组都在定子侧，励磁磁通与永磁磁通串联，通过控制 励磁电流产生增磁或弱磁效应，这种电机保留了双凸极永磁电机的全部优点，具 有结构简单、功率密度大和效率高等特点。同时由于励磁绕组在定子侧，电机结 构上不存在滑环、电刷等装置，电机的可靠性得到了提高。 上述7 种混合励磁电机气隙磁通都同时存在永磁磁通和励磁磁通两种磁通， 从磁路关系来看，两种磁通可以是串联形式或并联形式。从电机结构上看，励磁 绕组可以安装在定子侧，也可以安装在转子侧。 混合励磁无刷直流电机是解决传统无刷直流电机弱磁运行难题的方案之一， 归类为上述7 种混合励磁电机中的顺极式混合励磁同步电机，这种电机继承了无 刷直流电机诸多优点，电机气隙磁场平滑可调：电动运行时，具有低速及启动转 矩大、调速范围广等特点；发电运行时，具有较宽的电压调节能力。将混合励磁 无刷直流电机应用于电动汽车的驱动系统，可以在调节主回路不能满足需求时， 通过调节励磁电流以满足电动汽车各种工况所需要的转矩和速度，在未来的电动 广东工业大学硕士学位论文 汽车驱动系统中处于有力竞争位置。 本文基于t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对混合励磁无刷直流电机的控制 进行研究，结合电动汽车工况分析了系统控制策略，为这种新型电机在电动汽车 电机驱动领域的应用提供了一定的理论依据和实验参考数据。 1 4 本文研究内容 第一章：绪论。描述了国内外电动汽车电机驱动系统的研究状况以及发展趋 势，同时介绍了混合励磁电机的研究状况，阐述了研究混合励磁无刷直流电机控 制的目的及意义。 第二章：混合励磁无刷直流电机系统基本理论。主要介绍混合励磁无刷直流 电机系统的电机本体结构、电机调磁原理及系统工作原理，并建立了混合励磁无 刷直流电机的数学模型。 第三章：控制系统硬件架构。论述了硬件的整体设计，包括：控制芯片的选 择与介绍；主回路功率模块选择及励磁功率电路设计；位置信号处理电路、通信 接口电路( c a n 和s c i ) 、a d 采样调理电路等主要控制板接口电路的设计。 第四章：控制系统软件设计。结合混合励磁无刷直流电机的工作原理及电动 汽车工况分析了系统控制策略，并结合硬件系统设计了控制软件，给出了主要程 序的框架及控制算法选择等的相关介绍。 第五章：系统调试结果分析。对混合励磁无刷直流电机进行发电测试实验， 并将设计系统应用于实验室混合励磁无刷直流电机样机在测试平台上进行了低 速段的调试实验，对实验数据进行了分析。 总结与展望：包括对本文所做工作进行总结，并对后续研究工作进行展望。 1 5 本章小结 本章首先阐述了课题的来源和研究的意义，然后并对电动汽车电机驱动系统 及混合励磁电机的国内外研究状况做了详细的介绍，最后概述了本论文的主要研 究内容和各章节内容安排。 6 第二章混合励磁无刷直流电机系统基本理论 第二章混合励磁无刷直流电机系统基本理论 本章将对混合励磁无刷直流电机系统的基本理论，包括电机的结构特点、调 磁原理、数学模型及系统工作原理等进行详细介绍。 2 1 混合励磁无刷直流电机系统构成 与传统无刷直流电机一样，混合励磁无刷直流电机系统严格来说也是由电机 本体、功率驱动电路( 包括主电路功率驱动部分和励磁电路功率驱动部分) 和传 感器系统( 电流传感器、转子位置传感器) 三部分组成。 图2 1 混合励磁无刷直流电机系统构成 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo fh e b l d c ms y s t e m 2 1 1 混合励磁无刷直流电机结构及调磁原理 1 、电机本体结构 率输出 一- ， 巡掣三三菌j 图2 - 2 混合励磁无刷直流电机结构图 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo fh e b l d c m 混合励磁无刷直流电机对普通永磁无刷直流电机结构进行了改造，在电枢绕 组正交方向增加了一路励磁绕组。另外，为使磁路畅通，转子结构也做了相应改 7 广东工业大学硕士学位论文 造，电机结构如图2 2 所示【2 3 1 4 l 。 由图2 2 可看出，混合励磁无刷直流电机定子侧中存在两个回路：一个是普 通的定子侧电枢回路；另一个是安装在与电枢绕组正交方向的励磁回路。与永磁 无刷直流电机的转子磁极相比较，混合励磁无刷直流电机的转子磁极除永磁磁极 以外，还增加了铁芯极作为调磁极为励磁磁通，提供通道，电机转子磁极分布 如图2 3 所示。电机转子沿励磁绕组圆周方向可以分为两部分：一端为n 极端， 另一端为s 极端。每一端中永磁磁极和铁芯极交错排列，各端的n 极、s 极相间 排列，永磁磁极的相邻磁极均为铁芯极。这样，永磁磁通。和励磁磁通，均可 以在转子上找到各自的磁路。 图2 - 3h e b l d c m 转子结构示恿图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fh e b l d c m r o t o r 2 、调磁原理 由前面分析可知，混合励磁无刷直流电机气隙总磁通由永磁磁极产生的永磁 磁通。和励磁电流，产生的励磁磁通，两部分组成。由于永磁体对外加磁势 的磁阻很大，因此永磁磁极上磁通基本保持为永磁磁通。不变，铁芯极为励磁 磁通，主要通道。从图2 2 可看出，电机永磁磁通贯穿转子左右两部分，磁力 线从n 极_ 气隙一定子铁轭_ 气隙_ s 极_ 气隙_ 定子铁轭_ n 极形成回路。励 磁磁通贯穿转子左右两部分，从转子左边铁芯极一气隙_ 定子铁轭_ 气隙一右边 铁芯极一定子铁轭_ 气隙_ 左边铁芯极形