（电力电子与电力传动专业论文）混合励磁无刷直流电机控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y b r i d e x c i t a t i o nb m s h l e s sd cm o t o ri san e w t y p em o t o rd e v e l o p e d o np e r m a n e n t m a g n e tb l d c m o t o r b e c a u s eo fb o t ha d v a n t a g e so ft h ep e r m a n e n tm a g n e td cm a c h i n e s a n d e a s y t og e tm a g n e t i cf l u xc o n t r o l ，h y b r i de x c i t a t i o nb r u s h l e s sd cm o t o rh a sag r e a t p o s s i b i l i t yt ou s ef o re l e c t r i cv e h i c l ea p p l i c a t i o n a n e x c i t a t i o nw i n d i n gi sf i x e dt or e g u l a t m a g n e t i c f l u xc o n v e n i e n t l y h y b r i de x c i t a t i o nb r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o l s y s t e mb a s e d d s pi sm o s t l y a n a l y s e d t oo p t i m i z em a g n e t i cf l u xc h a n g i n ga n d s p e e d c o n t r 0 1 f i r s t ，t h es t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h em o t o ra r e i n t r o d u c e d a n dt h e n ，t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e d e s i g no ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e ma r e e l a b o r a t e d t h es y s t e ma n dt h ee l e m e n tm a i n l yu s e di nt h es y s t e ma r ei n t r o d u c e da sw e l la s t h ec o n t r o lc i r c u i ta n dt h em a i nc i r c u i td e s i g n t h ek e yp o i n t sl i e s i ni n t e r f a c er e s o l v e m e t h o di nh y b f j dv o l t a g e l o g i cd e s i g n ，a ds a m p l i n gc i r c u i t ，s p ic o m m u n i c a t i o n p o r ta n d t h e p r o t e c t o ft h em a i nc i r c u i t i nt h es o f t w a r e p a r t s ，i n t e g r a t e d c o n t r o l s t r a t e g i c i s i n t r o d u c e df i r s t l y ，a n dt h e nt h e i m a g i n a t i o no fs u b s e c t i o nc o n t r o l i s b r o u i 曲t o u t t h e r e s o u r c e sa l l o c a t i o no ft h es y s t e ms o f t w a r ej sd i s c u s s e di nd e t a i l a tl a s tf l o w c h a r t so fm a i n p r o g r a m ，p r o g r a mi n i t i a l i z a t i o na n dp r o g r a mi n t e r r u p t i o na r ef o r m u l a t e d t h es c h e m ei sa p p l i e di nab r u s h l e s sd cm o t o ra n dt h er e s u l ts h o w st h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 ad s pc p uc a ns t a r tt h em o t o r s m o o t h l ya n dr e a l i z et h ec o r r e c t p h a s e c h a n g i n ga n ds t a b l eo p e r a t i o n k e y w o r d ：e l e c t r i c a la u t o m o b i l e t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 x h y b r i de x c i t e db r u s h l e s sd c m o t o r d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m l i 独创性声明 本人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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：京龟 e l 期：聊午年f 月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：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，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囹。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：春纯 日期：弘婢年f 月o 日 指导教师签名：孑专题 日期：如呼年时碉，d 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源及研究意义 1 绪论 当前，燃油汽车造成的城市污染及原始能源消耗问题越来越突出。为致力于解决 此问题，高效率、低排放的电动汽车正受到高度重视。大力开发电动汽车将成为必然 趋势，而城市车辆和轿车是优先向电动化方向发展的汽车种类。 我国非常重视电动汽车的研究工作，与国外技术水平与产业化的差距较小，有可 能在世界汽车工业新一轮竞争中实现跨越式发展，取得有利地位。为了实现这一目标， 国家在“八五”期间已将电动汽车项目列入国家科技攻关计划，重点开展电动汽车关 键技术的研究；“九五”期间，正式列入国家重大科技产业工程项目，主要开展电动 概念车研究、电动改装车开发、试验示范区建设、运行机制和政策法规及技术标准的 研究；“十五”8 6 3 计划中设立了电动汽车重大专项，制订了电动汽车重大专项的实 施规划，组织企业、高等院校和科研机构联合攻关，计划在3 年到5 年内实现纯电动 汽车和混合动力汽车的产业化。5 年内建立燃料电池汽车产品动力平台，为5 年至1 0 年内实现燃料电池汽车的产业化奠定基础5 年内建立燃料电池汽车产品动力平台，为 5 年至l o 年内实现燃料电池汽车的产业化奠定基础。2 0 0 3 年，“十五”8 6 3 课题第一 期已经完成，燃料电池轿车台架车已经实现，东风混合动力客车第一轮样车己经完成 组装、调试结束并通过了国家的验收。目前，“十五”8 6 3 课题第二期也已经完成大半， 东风混合动力客车首批( 4 台) 试验样车已投入武汉市的5 1 0 路公交汽车线路上试运 行半年多时间。 在电动汽车的研究和开发中，有很多问题需要解决，驱动系统即是其中之一，而 驱动系统的研究首先要考虑其核心部件驱动电动机的选型。电动汽车的运行，与一般的 工业应用不同。由于电源功率的限制，不但要求电机驰动系统具有尽可能宽广的高效 率区，具有高的转矩重量比和高的可靠性，而且要求电动机调速范围宽以及具有良好 的转矩、速度特性。城市用电动汽车更是起停频繁，速度变化大，且经常运行于低速 高转矩或高速低转矩区域，这就要求电动机在低速时能产生高转矩，在高速时又能具 有宽j 。范围恒功率运转的驱动性能。 电动汽车虽然种类不一，但所用的驱动系统基本上大同小异。最早采用的是直流 牵弓1 电机。随着电子技术和自动控制技术的发展，交流异步电动机、永磁同步电动机 华中科技大学硕士学位论文 和开关磁阻电动机等交流电机调速系统显示出比直流电动机调速系统更为优越的性 能，这些电机调速系统正在逐步取代直流电机调速系统。用于电动汽车的电动机的选 择通常由重量、效率、成本三个因素决定，虽然目前关于哪种电机最优尚无明确定论， 但可以看到永磁无刷化的趋势很明显1 1 4 i 。对永磁无刷驱动系统的优化改进成为研究电 动汽车驱动系统的需要，混合励磁无刷直流电机就是在永磁无刷直流电机基础上发展 起来的新型电机，它既具有直流电机优越的调速性能，又能象电励磁电机一样方便地 调节气隙磁场，成功地解决了永磁电机弱磁调速的问题，能更好地满足电动汽车驱动 中的起动、爬坡、加速、行驶等不同：i = 况的需要，因而在该领域具有广阔的应用前景。 本课题主要探讨了混合励磁无刷直流电机的控制实现，期望得到性能更为优越的 电动汽车驱动系统。 本课题是国家“十五”8 6 3 计划电动汽车重大专项中的课题“b q 6 1 1 0 h e v 混合动力 城市公交车用电机及其控制系统”的一个带有预研性质的小课题，为更好完成国家课 题而做一些前期工作和技术储备。 1 2 电动汽车的研究现状及发展趋势 1 2 1 电动汽车的历史与国内外发展动态”7 1 电动汽车( e l e c t r i c v e h i c l e 简称e v ) 早在上个世纪三十年代就已问世，但由于受蓄 电池功率密度低等限制，很快被之后出现的燃油汽车所取代，使得电动汽车的发展在 一百多年内停滞不前。 直到2 0 世纪8 0 年代，能源危机和同益严重的环境问题成为世界各国面临的两大 难题，电动汽车重新登上历史的舞台，成为各国加紧研发“以电代油”产品的热点。目 前，汽车的能源消费几乎占世界能源总消费的四分之一，世界汽车的保有量达6 7 亿 多辆，而且还在以每年几千万辆的速度增长。由于燃油汽车数量不断增加，其排放造 成的空气质量的日益恶化，尤其是原始能源消耗造成石油资源的渐趋匮乏，使得开发 低排放、低油耗的新型汽车成为当今世界汽车业发展的紧迫任务。虽然发动机的电控 技术( 燃油喷射、电子点火、废气循环等电子控制) 和三元催化等排气净化技术的应用， 使燃油汽车的排放和油耗已下降到了很低的程度，但还是不能从根本上解决汽车排污 和石油资源不可再生的问题。 由于电动汽车在使用中可实现零污染，并可利用水、风、力等其它可再生资源 因此，无疑是解决上述问题的最有效途径。世界各国都在竞相研究和- 丌发节能环保电 华中科技大学硕士学位论文 动汽车，以期掌握未来汽车市场的主动权。广义的电动汽车依据其动力来源可分为纯 电动汽车、燃料电池汽车和混合动力电动汽车。 国外政府、著名汽车厂商十分重视电动汽车的丌发和应用，研究起步较早，近年 束发展很快。欧洲几家大汽车厂商也争先恐后地推出了自己的电动汽车。在燃料电池 方面，国外企业纷纷组成强大的跨国联盟，以期达到优势互补的目的，如同本丰m 与 美国通用公司，日本东芝公司与美国国际燃料电池公司，德国b m w 公司与西门予公 司，雷诺汽车公司与意大利d en o r a 公司分别组成联盟丌发燃料电池电动汽车。 1 2 2 电动汽车电机驱动系统简介 电动汽车是用电力驱动的车辆，其电源由蓄电池提供，通过控制器将电能转换为 机械能来驱动汽车。鉴于电动汽车的动力性能指标是山最高车速、加速能力、爬坡能 力和续驶里程等来表征，这些指标的高低直接与其动力驱动系统优劣密切相关，因此 必须优化动力驱动系统。 电动汽车动力驱动系统是能量存储系统与车轮之间的纽带，其作用是将能量存储 系统输出的能量( 化学能、电能) 转变为机械能，推动车辆克服各种滚动阻力、空气阻 力、加速阻力和爬坡阻力，在制动时将动能转换为电能回馈给能量存储系统。现代电 动汽车与传统的燃油汽车不同，其动力驱动系统可以省去机械齿轮变速机构，但仍能 提供低速恒转矩和高速恒功率的理想转矩一转速特性。 电动汽车运行工况非常复杂，因此，对驱动系统提出了很高的要求吼电动汽车 驱动系统应满足下列基本要求：( 1 ) 瞬时功率大，过载能力强，加速性能好。( 2 ) 调速范 围宽广，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区要求低速大转矩运行，以满足起动和 爬坡的要求；在恒功率区，要求具有较高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速 行驶的要求。( 3 ) 在整个运行范围内，都具有高的效率，以提高1 次充电的续驶单程。 ( 4 ) 可靠性高以保证车辆在各种工况( 如高低温、坏天气和剧烈扳动等) 下可靠行驶。 ( 5 ) 价格合理，能被用户所接受。 动力驱动系统由电池、电机驱动系统和传动系统等主要部件组成。电机及其控制 器是电动汽车的关键部件之一，要使电动汽车有较好的动力特性，驱动电机应具有宽 的调速范围及低速下足够大的起动转矩，体积小，熏量轻，效率高且具有强动态制动 能力和能量反馈的性能。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 3 国内外电动汽车电机驱动系统现状及发展 当前，在电动汽车上应用的电机驱动系统根据驱动电机类别来分，有直流电机驱 动系统和交流电机驱动系统两大类1 9 _ 1 1 1 。 1 直流电机驱动系统 在直流电机驱动系统中，直流电动机的电磁转矩m 。= c 卅巾。i o ，因此转矩控制可 方便地通过独立地控制电枢回路f 。或励磁回路磁通m 来实现。在气隙磁通m 。保持恒 定不变时，通过给定不同的电枢电流f 。即可实现对转矩的单一控制，控制简单，效率 高；在需要电机高速运行时，可以改变励磁回路磁通中。来实现恒功率区的弱磁调速， 使直流电机驱动系统能满足电动汽车对电机驱动系统的基本要求。 在直流电机驱动系统中，采用直流斩波器来控制直流电压( 或电流) ，按照给定不 同的电枢电流，用电流闭环控制就能实现对转矩的控制；并且，系统能很容易实现再 生制动，使制动能量回收。该系统不需要位置传感器，控制系统简啦，商流斩波器所 用的功率开关器件数量最少，控制系统的体积小，重量轻，成本低，臣直流驱动系统 技术成熟。调速系统的调速范围广，快速响应性能好，谐波小，系统效率高。因此早 期电动汽车上极大部分是采用有刷直流电机驱动系统。直到目前，法国等部分西欧国 家仍采用有刷直流电动机作为电动汽车的驱动电机。国内清华大学等单位_ | ；几年开发 的电动汽车样车也采用有刷直流电动机。 众所周知，有刷直流电动机有其固有的、不可克服的缺点，那就是直流电动机具 有电刷和换向器，电机结构复杂，电机运行时有火花，电刷易磨损，需要定期维护， 可靠性低，电动机成本高( 系统总成本与交流系统相当) ，电动机的环境适应性差，火 花会产生电磁干扰等，故目前有被其他驱动类型电动机所替代的趋势。 2 交流电机驱动系统 随着电力电子技术、微电子技术、现代控制理论和计算机技术的迅猛发展及其对 电机技术的不断渗透，使得电机技术的更新和创造也r 新月异，特别是2 0 世纪8 0 年 代以来，交流驱动技术以其优势逐步取代直流驱动技术而成为国内外发展最为迅速的 高科技实用技术之一。它的进步绘交流电机以良好的发展契桃和高纳起点，在电动汽 车的应用中，交流驱动系统已成为主流。交流电机驱动的电动汽车突出的优点是体积 小、重量轻、效率高、调速范围宽和基本免维护等优点。它是近几年发展起来的新技 术，目前尚处于进一步发展阶段，但控制器的制造成本较直流系统的要高。然雨随着 4 华中科技大学硕士学位论文 电力电子技术的进一步发展，成本将随之降低，这类r 乜机及其控制系统必将鼬示；n 强 大的生命力。 交流电机驱动系统中的驱动控制器由逆变器和控制器两部分组成。逆变器是将电 池直流电转变成适于交流电动机运行的交流电。控制器则对电动机的输入交流电压、 波形、频率、电流、磁通、转矩、转速、丌关方式及其导通角和关断角等进行灵活的 控制，使电机实现从电能到机械能的转换，并对电机的转矩控制特性实施最佳控制。 电动汽车用的交流电机调速系统类型很多，又各有千秋。 目前，在电动汽车上采用较多的有交流异步电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系 统和永磁同步电机驱动系统等。美国绝大多数电动汽车采用交流异步电机驱动系统， 而日本绝大多数电动汽车则采用交流永磁同步电机驱动系统。前者电机结构较简单， 效率约为9 0 9 2 ；后者电机上装有永磁件，电机稍贵一点，效率在9 1 9 3 。 两者的控制系统价格相当。此外，丌关磁阻电机在电动汽车中的应用也取得了一定的 成果。 ( 1 ) 交流异步电机驱动系统【1 2 _ n 】 交流异步电机驱动系统由交流异步电动机、控制系统和速度传感器等组成。交流 异步电动机( 也称感应电动机) 以鼠笼式感应电动机应用最广，它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，在转子和定子之间没有相 互接触的导电部件。鼠笼式感应电机结构简单、制造容易、价格低廉、坚固耐用、适 于高速旋转。感应电动机的功率容量覆盖面很宽广，其转速高达1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 r m i n ， 可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，运行可靠，经 久耐用；并且系统能够实现再生回馈制动，具有较好的稳态和动态特性。 但是异步电动机的转矩控制比直流电机要困难得多，电动汽车用的变频调速控制 一般采用转差频率控制或矢量控制或直接转矩控制来实现对电机转矩的控制。矢量控 制是通过坐标变换( 即三相至二相坐标变换、旋转坐标变换和直角坐标极坐标变换) ， 将异步电动机模拟成直流电动机进行控制，使异步电动机得到与直流电动机一样优良 的调速性能。这类控制器技术复杂，实现的难度大。 异步电动机变频调速系统也有其固有的缺点，在异步电动机变频调速系统中性能 相对最好的是矢量控制变频调速系统，但其系统的低速性能仍不理想，系统的动态响 应和动态特性仍不如直流调速系统。 异步电动机变频调速系统在纯电动汽车中得到了较广泛的应用，已有相对较大的 产品市场，但在混合动力电动汽车中，却因动态响应问题而不敌交流永磁同步电机系 统。故美国的纯电动汽车中一直采用异步电动机变频调速系统，而在混合动力电动汽 华中科技大学硕士学位论文 车中改用交流永磁同步电机系统。 ( 2 ) 开关磁阻电机驱动系统”1 6 】 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( s r m ) 是一种双凸极磁阻电动机，基于磁阻最小原理工作。它 的定子和转子都是由硅钢片叠片组成，而且极数不同，有多种组合方式，最常见的、 实用的为四相8 6 极结构和三相6 4 极结构。s r m 比其他任何一科t 电动机都要简单， 在电动机的转子上，没有滑环、绕组和永久磁铁等，只在电动机的定子上安装有简单 的集中励磁绕组，各相磁路的磁阻是随转子位置不同而变化。转子的运转是依靠磁引 力来运行，转速可以达到1 5 0 0 0 r m i n 。s r m 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。该电机结构最简单坚固，适于高速旋转，免 维护，所以备受人们的重视。 1j i t 开关磁阻电动机的电磁转矩m 。= 去“2 兰，其值正比于电流，。的平方，也难比 “仃 于电感对转子位罱角的度化率d l d a 。转矩的方向由比尼口的正负来决定。在转矩方 向不变的情况下，平均转矩的调节可通过对电流的调节来实现，即实现对转矩的单 控制，因而控制相对容易：同时由于开关磁阻电动机有转子位置传感器，所以可使电 机始终工作于大的转矩下而不会产生丢步，这是它的优点。 开关磁阻电机驱动系统的不足之处就在于电机双凸结构，所以转矩脉动大，控制 系统较复杂，工作噪声比同样功率的所有电机都要大。 ( 3 ) 交流永磁同步电机驱动系统【1 7 _ 2 0 l 随着稀土永磁材料和电力电子器件性价比的不断提高，反电势波形为丁f 弦波的交 流永磁同步电动机( p m s m ) 在中、小功率高性能调速系统和伺服系统中的应用f 1 益广 泛。交流水磁同步电动机之所以得到如此迅猛的发展，根本原因在于其自身不可替代 的技术优势，交流永磁同步电动机的转子励磁出永磁产生，电机的效率高，性自好， 在采用矢量控制时，可以得到很高的动、静态性能。 但永磁电机的励磁正因为是出永磁产生的，其励磁磁势不可调节，当电机转速升 高时，电机的反电势也跟着升高，使电机很难进入高速区域运行，这就限制了它在电 动汽车中的应用范围。要在高速区域运行的解决办法是在矢量控制时增加其去磁分量， 使其进入弱磁运行，但永磁电机弱磁控制难度极大，且要在电机的设计时就有一定的 考虑。永磁电机的制造成本也相对较高，这也是它的缺点之一。 尽管交流永磁同步电机驱动系统存在成本高，高速运行区域窄的缺点，但高效率、 高动态性能的显著优点使它仍成为电动汽车、特别是混合动力电动汽车中的优选方案 华中科技大学硕士学位论文 之一，日本的电动汽车就一直采用交流永磁同步电动机驱动系统。 ( 4 ) 永磁无刷直流电机驱动系统 与有刷直流电机相比，永磁无刷直流电动机用电子换相取代了机械换相装置，取 消了电刷和换相器；并将有刷直流电动机的定转子颠倒，即电枢绕组在定子上，绕组 形式与普通交流电机一样，结构简单。永磁无刷直流电动机( b l d c m ) 也可看成是反电 势波形为梯形波的交流永磁同步电动机，但从电磁转矩产生的原因看，它仍是定转子 倒置的直流电动机。 永磁无刷直流电动机系统由永磁无刷直流电动机本体、转子位置传感器和控制系 统组成。它是用方波电流驱动的，其旋转磁势是步进旋转磁势。在每相绕组的感应电 动势和电流同相位的情况下，永磁无刷直流电动机的电磁转矩，其值等于 m 。= c 卅中，i o ，该式与直流电动机是相同的。 在所有电动机中，调速性能最好的是直流电动机。因而无刷直流电动机既具有与 普通直流电动机一样优越的调速性能，又免去了机械换向装置，且又具有高效率的优 点，而且，永磁无刷直流电动机比交流永磁同步电机具有更高的功率密度。因此，永 磁无刷直流电动机应是一种更为理想的调速系统。所以永磁无刷直流电动机在最近几 年中得到了迅猛的发展，在许多领域中得到了广泛的应用。 但是，永磁无刷直流电动机与交流永磁同步电机驱动系统一样的原因，很难进入 高速区域运行。它的电流是1 2 0 。的交流方波电流按区域导通，弱磁控制也无法实现， 这就限制了它在电动汽车中的应用。为解决永磁无刷直流电动机弱磁运行的问题，只 有寻找别的途径。 混合励磁无刷直流电动机就是为解决永磁无刷直流电动机弱磁运行的方案之一， 是当前起步不久的研究课题。 以上介绍的几种电动机备有自己的优势和不足，并各有侧重，它们在现有的电动 汽车驱动系统中均有应用，而以交流异步电动机和永磁无刷直流电动机的应用稍微居 多一些1 5 j 。为了更加适合电动汽车的要求，不论使用哪一种电机，不仅要对电机结构 和控制方法进行研究，还应该考虑对电机本体进行反传统设计，从而进一步提高电机 及其控制系统的性能。针对各驱动系统的缺点，世界各国进行了各种新技术的广泛研 究，其中混合励磁无刷直流电机以其独有的优势，成为丌发新一代电动汽车驱动系统 的热点。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 混合励磁无刷直流电机的特点及应用”。2 2 1 普通永磁无刷直流电机没有励磁绕组，不需要励磁功率，具有效率高的优点。但 是，如果要实现恒功率调速，必须采用弱磁控制技术。由于永磁无刷直流电机常采用 稀土永磁体励磁，气隙磁通基本保持恒定，弱磁控制不易实现。对于直流励磁的同步 电机，磁通可以通过励磁电流调节，弱磁控制易于实现。但由于电刷和滑环的存在， 造成电机的体积增大、效率降低和维护量增大。而混合励磁永磁无刷直流电机正是综 合了前两种电机的优点，电机除了永磁磁钢外，还有一套励磁绕组来调节气隙磁密。 混合励磁无刷直流电机具有以下特点： ( 1 ) f l ：l 于磁场可以为励磁绕组电流所调节，磁场控制很容易实现，可实现类似直流 电机的低速助磁控制和高速弱磁控制。因而适合于电动汽车的驱动电机等需要恒功率 调速的场合，还可以作混合电动汽车的发电机运行。 ( 2 ) 由于采用无刷结构，维护容易。 ( 3 ) 由于电机为方波磁场，单位体积出力大，功率密度大。与传统的永磁电机相比， 虽然效率有所降低，但电励磁部分励磁电流小，绕组励磁的功率小，效率的降低不多。 混合励磁无刷直流电机的优点是：调速性能好，可以达到直流电机一样，但没有 直流电机的碳刷及集电环易损坏的缺点：效率高；体积小；重量轻；出力大。在电动 汽车的使用中具有广阔的前景。这种电机保留了永磁电机效率高的优点，又能方便的 进行调磁，扩大了调速范围。由于这种弱磁控制已完全独立于电枢电流的控制，因此 不仅可以用于电动机运行状态时的弱磁扩速功能，还可以实现发电机运行状态的电压 调节功能，它成功地解决了永磁电机调磁调速的问题。在方波无刷直流机中采用混合 励磁增磁调节可以节省永磁材料、提高效率，比现有利刚电概反应去磁的调速方法具 有明显的优越性。将这种电机应用于电动汽车的驱动，可以通过调磁来选择汽车运行 中爬坡、加速及高速行驶所需要的驱动力矩，显示出这种电机驱动的优越性能。 1 4 本人所做的工作 本文以混合励磁永磁无刷直流电机调速系统的基本工作原理与控制策略作为主要 研究对象，从最初的原理分析、方案论证丌始，直至最后完成实验，作了如下工作： 1 在分析研究混合励磁无刷直流电机的基本结构和工作原理的基础卜，建立其数 学模型。 2 完成了以d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 a 为核心的驱动控制电路的具体设计及制作工 华中科技大学硕士学位论文 作。 3 结合混合励磁无刷直流电机的特性及电动汽车所要达到的性能指标，对该系统 控制策略进行研究，提出分区控制方案。结合控制方案，对系统资源分配，设计。 4 列系统进行了实验验证，并对试验结果进行了分析。 全文共包含五章内容。详细沦述了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 ad s p 芯片的混合励磁无 刷直流电机数字控制系统的硬、软件设计和系统控制策略，各章节内容如下： 第一章：绪论。回顾电动汽车的发展历史，简述了国内外电机驱动系统的研究状 况，指出了当前研究的热点及其发展趋势，以及本文研究混合励磁无刷：【作的f 1 的、 意义和方法。 第二章：混合励磁无刷直流电机结构、原理及数学模型。分别介绍了混合励磁无 刷直流电机的三个基本组成环节，论述了它的基木工作原理，以及在理想假定前提下 混合励磁无刷直流电机的数学模型。 第三章：控制系统硬件介绍。首先论述了硬件的整体设计，给出了硬件控制系统 的原理框图。在介绍主要控制元件后，详细介绍系统的两个主要电路：控制电路和主 电路。对控制电路中不同逻辑电平之间的接口实现做了详细的分析。 第四章：控制策略及系统软件。结合混合励磁电机的工作原理，分析其控制方案 得到系统的控制策略。然后介绍这种控制方式下系统资源的分配，以及主要程序的i 暧 计流程。 第五章：试验结果及分析。将本文的设计应用于一台永磁盘式电机，并对试验结 果进行分析。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 混合励磁无刷直流电机结构、原理及数学模型 本章主要介绍了混合励磁无刷直流电机的基本结构，分析其工作原理，并建立了 这种电机的数学模型。 2 1 混合励磁无刷直流电机系统基本构成 从广义的电机概念看，混合励磁无刷直流电动机与普通永磁无刷直流电动机构成 基本相同，都由三大部分组成：电机本体、位莺检测器、功率变换器( 直交逆变器) ， 如图2 1 所示。它是在永磁直流电机基础上发展起来的，采样电子换相来代替永磁直 流电机的机械换相，实现直流到交流的转换。 图2 1 混合励磁无刷直流电机基本构成 2 1 1 混合励磁无刷直流电机 ( 1 ) 基本结构i 强”j 混合励磁无刷直流电机定、转予结构不同于普通的永磁无刷直流电机，其轴向剖 面图如图2 2 所示。其定予中集成了两种线圈：是普通的定子电枢绕组；另一一种是在 定子中间位置沿圆周方向安放的励磁线圈，它与电枢绕组正交。定子铁，t l , 通过定子轭 连接成一体。转子磁极由铁磁极与永磁极组成，铁磁极由铁磁材料组成，永磁极由永 磁体组成。电机的转子沿圆周方向分成左右两部分，一端为n 极，另一端为s 极。在每 一端，同一极性的永磁磁极和铁心极交错排列，处于不同端的n 极和s 极在圆周周向位 置为均匀相问排列，永磁磁极的相邻部分均为铁一t l , 极。这样的转予结构为永磁磁通和 直流励磁磁通分别提供了各自的磁路。图2 - 3 为r 乜机转子展开图。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 转 图2 2 电机轴向剖面图 i 蕊粥 图2 , 3 转子表而展开图 ( 2 ) 调磁原理f 2 6 j 电机气隙磁通由两部分组成：永磁磁通和励磁磁通。由于永磁材料对于外加磁势 的磁阻很大，无论有无励磁电流，永磁极上的磁通均近似为垂，。铁磁极上存在2 种磁 通：一种是永磁磁势在铁磁极上感应的永磁磁通中，：另一种是当励磁线圈上有励磁电 流时形成的励磁磁通中，但最终铁磁极上的磁通为中，。下面分析电机中2 种磁通的路 径： 电机永磁磁通的主要路径贯穿转子左右两部分( 图2 2 ) ：磁力线从n 极永磁体一气 隙一定子铁轭一气隙一s 极永磁体形成回路，见图2 3 中实曲线。铁磁极上几乎没有永 磁磁通。 励磁磁通由励磁电流产生，其路径贯穿转子左右两部分，如图2 2 所示方向的励磁 电流产生的励磁磁通会从转子左边铁磁极一气隙一定子铁轭一气隙一转子右边铁磁极 一转子铁轭一转子左边铁磁极形成回路，见图2 - 3 中虚曲线。当改变励磁电流方向时， 磁通方向相反。励磁磁通m ，与励磁电流大小成f 比。 转子每个合成磁极由一个永磁极和一个铁磁极组成，因此每个合成磁极上的磁通 中为： 中= 中r + 巾( 2 - 1 ) 可变的励磁磁场和永磁体产生的永磁磁场共同作用来产生电机的气隙磁场，当励 磁磁通方向与气隙中永磁磁通方向相同时，达到了增加气隙磁通的效果；相反时，效 果为弱磁；当励磁电流为零时，气隙中只有永磁磁通，这时与普通的无刷直流电机没 有区别。因此，调节励磁电流的大小与方向就可达到调节气隙磁通的目的。 2 1 2 转子位置传感器 转子位置传感器起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相 信息，即将转予磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置 华中科技大学硕士学位论文 传感器种类较多，且各具特点。目前在无刷直流电动机中常用的位置感器有下述几种 形式。 f 1 1 磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是利用某些半导体敏感元件的某些电参数按一定规律随周围磁 场的变化而改变的特性制成的，其基本原理为霍尔效应及磁阻效应。目前，常见的磁 敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。磁敏元件的 主要工作原理是电流的磁效应，它主要包括霍尔效应和磁阻效应。其信号输出为数字 脉冲，这种位置传感器对环境适应性很强，成本低廉，但精度不高。 ( 2 1 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，有开口变压器、铁 磁谐振电路、接近丌关等多种类型。在无刷直流电动机中，用得较多的是丌口变压器。 电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不商、适应性 强、结构简单和紧凑等优点；但这种传感器信噪比较低，体积较大，而且其输出波形 为交流，一般需经整流、滤波后方可使用，因而大大限制了其在普通情况下的应用。 ( 3 ) 光电式位鬣传感器 光电式位置传感器因高精度的特点，近二三十年得到急剧的发展，它利用光电效 应，由装在电动机转予上的码盘和装在定子上的光电开关( 光电检测元件) 构成。光电 式位置传感器有绝对式光电编码器和增量式光电编码器之分：绝对式光电编码器价格 低，主要用于自控式变频调速系统中；增量式光电编码器对角度的检测精度很高，主 要用于矢量控制的变频调速系统中。 光电式位置传感器精度高，性能较稳定，输出为脉冲信号，易于与数字电路相适 配，但存在输出信号信噪比较大、使用环境要求较高等缺陷。 除上述三大类位置传感器外。还有正余弦旋转变压器和编码器等多种位置传感器。 但是，这些元件成本较高、体积较大、所配线路复杂，因而在般无刷直流电动机中 很少采用。 2 1 3 逆变驱动控制器 逆变驱动控制器负责将直流电转换成交流电向电机供电，它控制电动机定子上各 相绕组通电的顺序和时间，其功率逻辑开关单元是控制电路的核心，功能是将电源的 电压以一定逻辑关系分配给电动机定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转 矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的转予位置信号。 华中科技大学硕士学位论文 由于这种电机与无刷直流电机一样，采用的是自控式逆变器，电机输入端的频率 和电机转速始终保持同步，不会产生震荡和失步。 2 2 基本工作原理n ” 混合励磁无刷直流电机与普通的无刷直流电机相比，关键的是多了一路励磁线圈， 用于调节气隙磁通，它们的基本工作原理是一样的。本实验采用三相星型绕组和“三相 六拍一1 2 0 。方波型”驱动电机，现以这种工作方式，说明该电机的运行原理。图2 4 为 混合励磁无刷直流电动机的主电路。a ，b ，c 为电机定子三相电枢绕组，l 为励磁绕 组。 c 图2 4 三相六拍一1 2 0 。方波型混台励磁无刷直流电动机的主电路 当不考虑励磁调节时，电机的工作原理就和永磁无刷直流电机的一样了，以下就分析 永磁无刷直流电机工作过程。首先来看电机的矩角特性。矩角特性是指电机某一相绕 组通入一个恒定直流电流时，电机所产生的电磁转矩f 与定、转子之间的相对位置角口 ( 以下简称为转子位置角) 之间的关系曲线r ；f ( 0 ) i 。转子位罱角p 的原点可视需 要而定，通常，把转子磁极轴线与a 相绕组轴线t 重合时的转子位黉取为p = 0 。，口以 电角度表示，0 角的示意如图2 5 所示。图2 5 中同时标出了各有关参量的参考f 方向。 华中科技大学硕士学位论文 图2 5 无刷赢流电动机定转子相对位置图及箨物理量参考方向 a ) 剖面图b ) 示意图 根据电磁力公式fa b l v 马上可知，当电流f 等于常数时，电磁转矩r * 见，所以 a 相绕组通电时的矩角特性l 。，( 0 ) 曲线将与岛曲线相似，也是一个梯形波，如图 2 6 所示。 图2 6a 相绕组矩角特性 当电机以甜一d o a t 的角速度匀速旋转时，把时间坐标的原点取在口= 0 。处，则 秽= m t ，口轴与a g 轴将是同一横坐标轴。在图2 6 的a 相矩角特性图上，t = 乙的区 域为b b ，且岛一qz 1 2 0 。；丁一一l 的区域为以b ，且b - o , 苫1 2 0 。那么，若在b b 的区域内a 相绕组上通入正向方波电流，。，则电机在该区域将产生个正向方波转矩。 当，。的幅值变化时，转矩的幅值跟着成比例改变，当l 变负时则转矩也将反向而成为 制动转矩。同理，在以哦的位置区域内，a 相绕组通入负电流则得到正转矩，通入 _ i _ f 电流得到负转矩。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 为后面叙述方便起见，把口角的一个周期分成6 个等分区域固，每个区域6 0 4 ， 且把、区域的分界线定位在矩角特性的正波幅处，即在0 1 ，8 3 的中点日：处，区域 的相应位置如图2 6 。 b 、c 相绕组在空间与a 相相差1 2 0 。、2 4 0 。，b 、c 相绕组的矩角特性瓦= ，( 、 乏一，( 可以把l 一，( 日) 在曰轴上平移1 2 0 。、2 4 0 。而得到，三条曲线画于同一坐标 上如图2 7 a ) 所示。 t t 扛r c ， 、 f 、 f ， l ， 0 l； 、 ?l ， 1 ， ， 凭域号通嘎 ， 如 萤 f ) 制上 1 l33551 1 *h 下6 2244662 f l l t 一一 f ， t ， r _ l f j l ，一一i r 一 一 tl t 乙 l， l f _ _ jj l i r t 图2 7i ：仵原理 由前面分析a 相可知，为得到正转矩，则区域中l 导通，i a 为正：区域 中l 导通，f 。为负，转矩仍为正。依次类推可得到1 2 0 。交流方波电流工作的元件导通 表如图2 7 b 1 所示。导通顺序是6 ，1 1 ，2 2 ，3 3 ，4 4 ，5 5 ，6 6 ，1 。得到的三相电流波 形如图2 7 c ) 。a 相电流产生的转矩如图2 7 d ) ，是两块1 2 0 “的正转矩。电机总转矩如图 2 7 e ) 。 永磁无刷直流电动机的制动也很容易实现。从图2 7 可以看出，在电机正向旋转时， 只要在距角特性的正转矩区加上负电流，负转矩区加上正电流，电机就可在0 ，i ，的 任意转速下得到与正向电动完全对称的制动运行。也就是说要产生正向制动转矩，只 需把同一桥臂上下两个功率管的导通时刻互换即可，也就是说，正向电动时五导通的 华中科技大学硕士学位论文 时刻，由l 导通来代替，使电枢电流反向，其他桥臂也要求同样互换，电动机就会产 生正向制动转矩。制动时电机将把机械能转变成电能经逆变桥送入直流侧。 从图2 7 可见，功率变换器输出的电流是1 2 0 。的方波交流电流，其输出电压波形 也是同相位的1 2 0 。的方波交流电压。若把它们分解成富里裒级数，取其基波分量计算， 则会发现基波分量的输出转矩将小于用方波算得的转矩。若再把5 、7 次谐波分 别计算( 1 2 0 方波无3 k 次谐波，y 接法时3 k 次谐波也不能流通) ，发现每个谐波都能 得到有用的转矩。也就是说，它的所有谐波都是参与了正常的工作，它的总输出转矩 是其基波分量与所有谐波分量共同努力的结果。因此，无刷直流电动机不宜采用交流 电机常用的取其基波分量的算法，而应采用直流电机的算法。 p a i1 i 】 ： i ，1 p b l i lr i i l一| _ l f i p c ：l i。 - i 吗值 l o d l o d l l i o l d o l 0 0 j 1 0 d l o d l l d 个ilillli l ： l l - l 正h _ 卜一 l il i h z卜- - q 正 ih 列 ih 图2 8 位置检测信号与功率管导通关系 由上述原理分析知道，无刷直流电动机的方波电流与转子位覆有严格的对应关系， 受转子磁极位置检测信号的控制。一般无刷直流电动机都带有位置检测器，输出三相 互差1 2 0 4 ( 电角度) 、宽1 8 0 4 ( 电角度) 的矩形波，如图2 8 所示。对应于图2 4 的逆变器 电路，各开关管的导通和关断将根据位置检测信号动作；图2 8 是电动机j 下转时对应 于编码信号的各功率管导通和关断的情况。 编码器用于无刷直流电动机的控制时，还有一个编码器的初始定位问题。若在电 机a 、b 端子通以适当的直流电流，在a 、b 相转矩的作用下，转子将被吸合在磁极 轴线对准i 一占轴线的位：雳! 上，即图2 5 中口= 一3 0 。的位置上，这时若转动装有光电开关 的电路板，使光电检测信号的某一个跳变沿恰好出现在该位置，如图2 8 中的1 0 0 码 与1 1 0 码的变更处，这时固定好装有光电开关的电路板，定位即完成。对照图2 5 立 1 6 华中科技大学硕士学位论文 即可知，每一个码值与图2 5 中固的某一个位置区域相对应，其对应的电机正转功 率开关导通顺序也相应地标注在图2 8 的下方。 电动机的反转控制，只要改变一下三相方波的通电顺序。对应于位置检测信号， 只要按反方向的时序控制逆变器的六个功率管通断。当位置检测信号a 、b 、c 为低、 高、高时，如果正转，应该使正、瓦导通，要是反转，则只要使正、正导通即可。 2 3 数学模型。” 为简化分析，作以下假设： ( 1 ) 定子电枢绕组为三相星型连接，三相绕组完成对称，无中线引出。 ( 2 ) 忽略齿槽效应，不计端部效应。 ( 3 ) 不计铁心部分的磁压降及铁心内的磁滞、涡流效应。 ( 4 ) 不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似梯形波，平顶宽度为1 2 0 。电角度。 此时，混合励磁无刷直流电动机的电压的平衡方程式可用下列状态方程表达 “4 u lmm mlm + p i mml + 巳 巳 o ( 2 2 ) 式中：p 一微分算子p ；d d t ： “。、n 。、z t c 一电机三相电枢绕组相电压； 一电机励磁绕组相电压； e a 、气、乞一电机三相电枢绕组反电势； 、t 一电机三相电枢绕组相电流； r 一电机三相电枢绕组的电阻： r ，一电机励磁绕组的电阻； l 一电枢绕组的自感： ，励磁绕组的自感； m 一电枢绕组间的互感： 由电机的结构决定，在一个3 6 0 。电角度内( 机械上一对磁极距) ，转子的磁阻不受 转子的位置变化而变化，又因为三相对称电动机中存在+ + ：0 ，因而上式可化为： 1 7 华中科技大学硕士学位论文 = 一2 口= = = ；= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = # = 口= = 一 u 口 h c “j + p l m l m l m + 巳 气