（车辆工程专业论文）基于dspace的电动汽车异步电机驱动系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在石油资源紧缺，环境压力日益紧张的今天，电动汽车的研究越来越受重视。 对电动汽车而占，电机驱动系统是其不可缺少的一部分，其动力输出直接影响 到电动汽车的动力性能，其能耗直接影响到电动汽车的续驶里程。本文中作者 对电动汽车的不同驱动系统和交流异步电机调速技术的发展状况作了介绍。 本文的研究选择了交流异步电动机驱动，在分析交流异步电动机数学模型的 基础上，利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具对电动汽车直接转矩控制系统建立了系 统仿真模型。分别建立了电机转矩观测器模型、电机定子磁链观测器模型、定 子磁链的幅值和在空间的区间判断模块、空间电压矢量的选择模块、转矩滞环 控制器和磁链滞环控制器模型、转速p i d 调节器模块、电机本体模块等。对模型 进行动态仿真，分析其动念性能指标。 本文介绍了d s p a c e 实时仿真系统，d s p a c e 是基于m a t l a b s i m u l i n k 半实 物仿真系统开发的软硬件工作平台，具有实时性强，可靠性高，扩充性好等优 点。在分析直接转矩控制基本原理的基础上，利用d s p a c e 的快速控制原型方式 和d s p a c e 系统的软硬件环境，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了交流异步电机的实 时控制系统；并对控制参数进行了在线调参，改善了实际性能。实验结果表明， 采用d s p a c e 平台可以快速完成对异步电机直接转矩控制系统的研究和开发，缩 短了控制系统的开发周期，获得了满意的效果。 本文的研究中还建立了电动汽车行驶过程中的力学模型，根据力学模型建 立了电动汽车整车仿真模型，进一步检验了驱动系统的可行性和有效性。 本文的研究目的是：建立按照驾驶员操作来控制电动汽车驱动系统动力输出 的控制模型，选择适当的控制策略，为直接转矩控制模块提供转矩给定值，从 而使电动汽车电机驱动系统的动力输出达到驾驶员的驾驶目的。 仿真结果表明异步电机直接控制系统具有良好的动态特性，充分证明了直接 转矩控制的优越性和有效性。此电动汽车直接转矩控制系统仿真模型稳定性好， 可以较为理想地完成电动汽车驱动系统的要求。 关键词：电动汽车，交流异步电机，直接转矩控制，d s p a c e ，实时控制，快速 控制原型，硬件在回路仿真 l i 苎翌墨三奎兰璺主兰竺堕塞 a b s t r a c t t o d a y , a sp e t r o l e u mi ss h o r ta n de n v i r o n m e n tp r o b l e mi sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n , e l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) r e s e a r c hp r o j e c ti sl a u n c h e do u t t oe v , m o t o r p r o p u l s i o ns y s t e mi si n d i s p e n s a b l e ，i td e c i d e st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n da f f e c t s t h er e s i d u a lr a n g eo fe v i nt h ep r e f a c ea l lk i n d so fd r i v e ss y s t e mu s e do ne l e c t r i c v e h i d ei si n t r o d u c e da n dt h ep r o c e s so fr e g u l a t i o nt h es p e e do fm o t o rb ya l t e r n a t i n g c u r r e n ti sn a r r a t e d a ca s y n c h r o n o u sm o t o rp r o p u l s i o ns y s t e m i ss e l e c t e da st h ec o n c r e t e s t u d y s u b j e c t b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa ca s y n c h r o n o u sm o t o r , t h i sp a p e ru s e s m a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r et os i m u l a t ea n db u i l de l e c t r i cv e h i c l ed i r e c t t o r q u e c o n t r o l ( d t c ) s y s t e mm o d e l ，i n c l u d i n gt h ef l u xl i n k a g e so b s e r v e rm o d e lo fs t a t o r , t h e t o r q u eo b s e r v e rm o d e l ，t h es e l e c tm o d e lo fv o l t a g es p a c ev e c t o r , t h em o d e lo fs t a t o r s f l u xl i n k a g e ss p a c ei n t e r v a lj u d g e ，t h em o d e lo ft h ei n v e r t e r , t h em o d e lo fs p e e d s p i dr e g u l a t i o na n dt h em o d e lo fm o t o r sm o d e l ，e t c t h r o r l g hs i m u l a t i o n ，t h i sp a p e r a n a l y s e si t sd y n a m i cp e r f o r m a n c et a r g e t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e sd s b 虻er e a lt i m es i m u l a t i o ns y s t e m 。i ti sas o f t w a r ea n d h a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h er e a l t i m ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h em a t l a b s i m u l i n k i t h a st h ee x c e l l e n tr e a l - t i m ee x t e n s i b l ep e r f o r m a n c ea n dt h eh i i g hr e l i a b i l i t y t h eb a s i c p r i n c i r l l eo fd t cc o n t r o li sa n a l y z e da n dar e a l - t i m ec o n t r o ls y s t e mo ft h ea c a s y n c h r o n o u sm o t o ri s e s t a b l i s h e di nm a t l a b s i m u l i n k u s i n gt h er a p i dc o n t r o l p r o t o t y p e ( r c p ) m e t h o db a s e do nt h ed s p a c e t h ec o n t r o lp a r a m e t e rc a nb et u n e d o n l i n es oa st oa d j u s tt h ep e f f o r n m a n c eo fr e a l t i m es y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o la l g o - r i t h m sc a nb ev e r i f i e dr a p i d l ya n dt h e d e v e l o pp e r i o do ft h ec o n t r o ls y s t e mi sa l s os h o r t e n t h ew h o l es y s t e ma c q u i r e d s a t i s f a c t o r ye f f e c t i nt h es t u d y , am e c h a n i c a lm o d e li sf i r s ts e tu p b a s e do nt h em e c h a n i c a lm o d e l ， e l e c t r i cv e h i c l es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l d e d f u r t h e r , t h i sp a p e rp r o v e st h ed r i v e 一一 苎堡墨三查兰塑圭鲎壁堕兰 s y s t e mi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st os e tu pac o n t r o lm o d e lt h a tc 扎g i v eo u tt h ep r o p e r t o r q u ev a l u et ot h ed t cm o d u l e ，s ot h a tt h eo u t p u to ft h em o t o rp r o p u l s i o ns y s t e m c a nm e e tt h ed f i v e r sr e q u i r e m e n t s s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f y st h a te l e c t r i cv e h i c l ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mh a s f i n ed y n a m i ct r a i t ，s h o w si t sa d v a n t a g ea n dv a l i d i t y e l e c t r i cv e h i c l ed i r e c t t o r q u e c o n t r o ls y s t e mc o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fe l e c t r i cv e h i c l ed r i v i n gs y s t e m 。 k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，a ca s y n c h r o n o u sm o t o r ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) d s p a c e ， r e a l t i m e c o n t r o l ， r a p i d c o n t r o l p r o t o t y p i n g ( r c p ) ， h a r d w a r e i n t h e - l o o ps i m u l a t i o n ( h i l s ) 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的背景和意义 1 9 世纪8 0 年代以来随着汽车的问世，汽车已成为人们生产和生活中不可缺 少的生产和生活工具，成为现代社会文明的重要组成部分。目前，传统汽车主 要以内燃机为发动机，能源仍主要依赖于石油产品( 汽油、柴油和天然气等) 。 传统汽车排出的尾气污染了我们赖以生存的环境，直接危害人体健康。据环保 部门提供的资料，城市空气中污染物的污染源6 0 以上来自交通运输车辆的排 放。另外，石油资源枯竭，西方发达国家需要进口大量石油。从2 0 世纪6 0 年 代人们对大气污染的关注，到2 0 世纪7 0 年代的石油危机，都促使电动汽车的 研究不断深入。电动汽车由于其具有“零”排放特性，因此倍受世界关注，发展电 动汽车已成为世界汽车业的共同呼声。我国政府在“十盘”期间也将电动汽车的 发展作为我国科技攻关的主要项目之一。 近年来，世界各国，特别是欧美日等发达的工业国家，纷纷投以大量的人 力、物力和财力用于电动汽车的车的研究和开发工作，不断地推出新的电动汽 车车型。电力公司也相应地着手研究应用于电动汽车的基础设施。些国家还 从法律上逐步限制或禁止在重要城市使用燃油汽车。电动汽车作为2 1 世纪的重 要交通工具，以其节约石油资源、减少大气污染等优势，越来越受到重视。 电动汽车作为解决环境和能源问题的一种选择，在我国早已引起重视，已 被国家列为“八五”、“九五”和8 6 3 计划科技攻关重点项目。近几年我国电动汽车 的研究工作进入了全面发展阶段，电动汽车市场已初露端倪。2 0 0 1 年1 0 月国家 投入8 8 亿元的专项基金，特别设立电动汽车重大专项课题。选择新一代电动汽 车作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构联合攻 关。计划在“十五”期间以电动汽车的产业化技术平台为工作重点，力争在电动汽 车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得重大突破。 本文研究主要为电动汽车的驱动异步电机寻找新的控制方法和软件。直接 转矩控制是通过控制电机的磁链来控制转矩，没有复杂的坐标变换和参数计算， 武汉理丁大学硕士学位论文 系统显得直观、简洁，提高了系统的计算速度和精度。然而，将该控制原理应 用在异步电机上，其驱动稳定性一直是工程界关心的问题。该研究拟基于直接 转矩控制的原理，实现电机的平稳驱动控制，具有一定的理论和工程意义。本 文还利用直接转矩控制对电动汽车蹩车驱动系统进行了研究。 1 2 电动汽车驱动系统简介 电动汽车系统主要由电力驱动子系统，主能源子系统和辅助控制子系统这 三个子系统组成。电动汽车的电力驱动系统接受蓄电池输出的电能，将其转化 为机械能，再以电动机的输出轴作为驱动轴，通过传动系统，将动力传送到车 轮上，驱动电动汽车行驶。主能源子系统由主电源和能量管理系统构成，能源 管理系统是实现能源利用监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件：辅助 控制子系统主要是为电动汽车提供控制电源，具有辅助电源的控制、动力转向、 充电控制、空气调节等功能。 电力驱动子系统由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成。 它将蓄电池输出的电能转化为车轮上的动能，驱动电动汽车行驶，是电动汽车 的关键组成部分，可以说它是电动汽车的心脏。电机驱动系统的输出特性决定 了电动汽车的动力特性，同时，它的效率对电动汽车效率的影响也非常大。 目前，国内外对电动车电机驱动系统的研究都很多，主要集中在新型电动 机的应用、电机驱动系统控制策略的改进这两个方面。 电动汽车的共同特性是它们都由电力驱动，或者由电力辅助驱动。在它们的 电力驱动系统中，都离不开电机驱动。而纯电动汽车则完全出电动机驱动。所 以本文选择纯电动汽车为对象，对电动汽车电机驱动系统进行研究。本文研究 中所提到的电动汽车，如非特别说明，均指纯电动汽车。 1 2 1 电动汽车驱动系统的构成 电动汽车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两个部分。其中，机械传动 部分因电动汽车驱动系统稚置方式不同而不同。各种布置方式之间最大的区别 就在于对传统的机械传动部件保留的多少。越高级的布置方式，对传统燃油汽 车的机械传动部件保留得就越少，而且更能发挥电动汽车的优势。 武汉理工大学硕士学位论文 不论电动汽车的驱动系统采用哪种布置方式，其电气系统的结构基本上都 相同，主要由三个部分组成，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 电力驱动系统的功能模块 1 2 2 电动汽车对其驱动系统的特殊要求 电动汽车与其它的电力驱动系统相比较，有其自身的特点。它对驱动系统 相应有其特殊的要求： ( 1 ) 能够频繁地起动，停车，加、减速，对转矩控制的动态性能要求高； ( 2 ) 电动汽车驱动的速度、转矩变化范围大，既要工作在恒转矩区，又要运 行在恒功率区，同时还要求保持较高的运行效率； ( 3 1 能在恶劣工作环境下可靠地工作。 j 下因为电动汽车对其电机驱动系统有这些特殊要求，所以在电动汽车电机 驱动系统设计中，驱动电机的选择及其变流器、控制器的设计，都必须考虑到 这些特殊的要求。 1 2 3 电动汽车电机驱动系统分类 电动汽车驱动系统可以按照驱动电机的类型进行划分，可分为：直流电机 驱动系统、交流异步电机驱动系统、永磁同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱 动系统等。 1 、直流电机驱动系统 宜流电动驱动系统是以直流电动机为驱动电机的电动汽车驱动系统。与直 3 武汉理= _ r = 大学硕士学位论文 流驱动电机相匹配的变流器是斩波器，它将固定的直流电压变成可调的直流电 压；调速方法主要是调压调速和调磁调速。 早期生产的电动车辆及当今的工业用电动车辆采用直流电动机。直流电动 机具有易于控制、输出转矩大、技术成熟的优点。但是电动机本身效率低，体 积大、重量大，最大转速受换向器的限制，同时由于换向器的存在使得电机需 要定期维修，影响了电动车的可靠性及使用成本。随着现代交流电动机调速方 法的改进，交流电动机的调速性能已经赶上了直流电动机。作为驱动电机，直 流电动机最终将被交流电动机所取代。 2 、交流异步电机驱动系统 交流异步电机又称交流感应电机。最初由于电力电子技术以及调速方法的 限制，它在电动汽车驱动系统中的应用并不被看好。随着现代电力电子技术的 发展，大功率电力电子器件的出现，以及调速方法的改进，使得交流异步电机 的调速性能逐渐赶上并超过了直流电动机。目前交流异步电动机己经成为在工 业应用中使用最为广泛的拖动电机。现在，虽然交流异步电机调速系统比较复 杂，成本较高，但是由于电机本身具有体积较小、成本较低、调速范围宽、响 应快等优点，目前国内大部分电动汽车还是采用了交流异步电机驱动系统。 相对于直流电动机而言，交流异步电动机的调速系统比较复杂。它的交流 器又称逆变器。出于蓄电池以直流电的形式输出能量，所以要用蓄电池输出的 能量来驱动交流异步电机，就先必须将蓄电池输出的直流电进行变流处理，将 其逆变为交流电。逆变器的工作原理是通过电力电子器件的开关及合理的变流 电路来将直流电逆变成交流电。现代电力电子技术的发展，为交流异步电机调 速性能的改善提供了硬件条件。 交流异步电机的调速方法主要包括改变转差率调速、调压调速、变频调速、 变极对数调速等，其中以变频调速应用最为广泛。现代研究较多的调速方法有 p w m 调速、矢量控制( f o c ) 和直接转矩控n ( d t c ) 。后两项技术自上世纪未问世 以来，在短短的2 0 年时问里己经得到了很大的发展和改进。 现代控制算法在电动汽车驱动系统电机调速中也得到了应用。现代电动汽 车驱动系统电机调速的研究主要集中在结合现代控制算法和现代电力电子技术 的新型调速策略的应用上，如：模糊逻辑在变极对数调速中的应用、p w m 逆变 器在变极对数调速中的应用、变结构滑模控制，同时d s p 器件也逐渐在该系统 中得到应用。 4 武汉理工大学硕士学位论文 采用交流异步电动机，使电动汽车具有以下特点：一是实现了无级变速，使 车辆的操作控制自动化，使传动系统效率提高。二是驱动部件的结构简单、无 需维护、可靠性高，电动机的转动惯量小，速度响应快。三是交流异步电动机 与直流电动机相比，电动机的控制更加完善，并能实现能量的再生。因此，交 流电机已经成为电动车辆与控制技术的发展方向。本课题研究的就是交流电机 的控制技术。 3 、永磁同步电机驱动系统 永磁同步电动机又分为无刷直流电动机和无刷交流电动机。永磁同步电动 机的转子磁链是不可控的，可以控制的只有定子绕组的电流。所以永磁同步电 动机的控制方式一般是电流控制，它包括三部分：电流指令的生成、定子电流 检测和电流的闭环控制。不同的是无刷直流电动机的定子电流是三相方波电流。 无刷交流电动机的定予电流是三相正弦电流。 永磁同步电机转子采用永磁材料，定子绕组仍为正弦分布绕组。由于采用 永磁体，具有强磁场，它不需要励磁电流，所以控制相对容易，电机体积小， 功率密度大，传动系动态响应快，效率高。但目前由于永磁同步电动机价格较 贵，调速范围也没有交流异步电机宽，所以应用范围还比较有限。国外对这两 类电动机在电动汽车上的应用都有研究，而在国内，这类研究则相对较少。 4 、开关磁阻电机驱动系统 在电动汽车驱动系统设计中，人们一直希望寻找一种价格低廉、运行可靠， 调速范围宽的电动机。开关磁阻电机就是这样开始得到研究者的重视。2 0 世纪 8 0 年代，研究者们就丌始设计用作电动汽车驱动电机的开关磁阻电动机。开关 磁阻电动机与直流电动机和交流电动机在结构上有很大的不同，它与反应式步 进电动机相似，为双凸极可变磁阻电动机。其工作原理是基于电子绕组通电后， 其磁路选择最小磁阻路线的趋势而产生转矩的。 开关磁阻电动机的结构简单，运行速度范围宽，是一种极具潜力的驱动电 机。但目前，它的噪声和转矩波动比较大，对电动车的舒适性能带来一定的影 响，在电动汽车上的应用还不很广泛。 1 2 4 电动汽车电机驱动系统的选择 在选择电动汽车电机驱动系统时，需要考虑的几个关键问题是成本、可靠 武汉理工大学硕士学位论文 性、效率、维护、耐用性、重量、尺寸以及噪声等。对以上四种驱动电机进行 比较，如表1 - 1 所示。 表1 - 1 电动汽车用电机性能比较 电机类型直流电机异步电机永磁同步电开关磁阻电机 性八( d m ) ( i m )机( s r m ) ( p m s m ) 电机效率( )7 5 8 58 5 9 29 0 9 5 8 5 9 3 最高转速( r p m ) 4 0 0 0 9 0 0 0 4 0 0 0 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 6 0 0 01 5 0 0 0 坚固性良优良优 可靠性一般优良优 价格 高 便宜 高一般 优点结构简 结构简单，体积小，重量 结构简单、牢固， 单，具有可高速运轻，控制器较可调范围广，效 优良的电行，调速范简单，效率率高，启动转矩 磁转矩控围广，转动高，能量密度 大。 制特性。惯量小，维 大。 护简单，技 术成熟。 缺点有刷，易控制装置较高速运行较噪音大，输出转 产生电火复杂。i m 复杂，需矩脉动大，需要 花，引起检测转子磁位置检测器，有 电磁干极位置，永磁非线性特性。 扰，维护体有退磁问 困难，体题。 积重量 大。 应用前景比较于其已成为目前随着稀七永目前应用还受到 它驱动系多数交流驱磁材料的出 限制。 统而言已动电动汽车现，这类电机 处于劣的首选。有望与异步 势，处于电机争夺市 被淘汰地场。 位。 由上表可看出，在目前和今后较长的一段时期内，交流异步电机驱动系统 的性能价格比最高，最值得在电动汽车上推广使用，因此本论文选用异步电机 武汉理工大学硕士学位论文 作为电动汽车的驱动电机。 1 3 交流异步电机控制系统发展现状 交流异步电机驱动系统比较其他电机驱动系统而言，具有费用低、可靠性 高、调速范围宽、转矩波动小等优点。交流异步电动机已经成为在现代电动汽 车上应用最为广泛的驱动电机之一。 异步电机的数学模型是强耦合的非线性模型，在异步电机各种控制方法中， 变频调速是目前应用最为广泛的调速方法。目前研究的热点主要是在基于空间 矢量的概念下的磁场定向的矢量控制、直接转矩控制、空间电压矢量p w m 等三 方面之间展开的，它们的共同点就是力求实现转矩、励磁控制量解耦，使交流 电机的输出控制特性接近或达到直流电机的水平。 1 9 7 1 年德国e b l a s c h k e 提出了转子磁场定向的矢量控f 1 i j ( f o c ) ，该技术发 展较为成熟，目前许多交流驱动产品上都采用此技术。矢量控制应用坐标变换 将三相系统等效成二相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定 子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流 分别控制的目的。这种控制方式进一步提高交流调速性能，使之能与直流调速 相媲美。然而，在实际上由于转子磁链难于准确观测，由于系统特性受电动机 参数的影响较大，以及在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换的复杂 性，使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果。这是矢量控制技术在实践 上的不足之处。 上世纪8 0 年代中期德国的m d e p e n b r o c k 提出了定子磁场控制的直接转矩 控制技术( d t c ) ，f 1 本的i t a k a h a s h i 和n o g u c h i 也在同一时期提出了该技术。它 是种新型的具有高性能的交流变频调速技术，其思路是把电机与逆变器看作 一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通 过磁通跟踪型p w m 逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无须对定子电流进 行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，转矩响应迅速，动静态 特性优良，便于实现全数字化。该技术经过发展与完善，已经成为研究的热点。 近年来，基于空间矢量的概念，又发展出了空问电压矢量p w m 技术 ( s v p w m1 ，该技术考虑利用电压矢量合成期望电压矢量值去控制电机，结构简 单、特别适合数字化实现，开关频率低、效率高，与常规的s p w m 比较，在减 武汉理工人学硕士学位论文 少电机电流谐波损耗、提高母线电压利用率上具有明显的优势。 1 4 直接转矩控制的优点和发展方向 1 4 1 直接转矩控制相对于其他控制的优点 ( 1 ) 直接转矩控制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做比较、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。 它省掉了矢量旋转变化等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作 特别简单。所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出真接 和明确的判断。 但1 直接转矩控制磁场定向所用的是定予磁链，只要知道定子电阻就可以把 它观察出来。而矢量控制磁场所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动 机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易 受参数变化影响的问题。 ( 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型 和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。 ( 4 1 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制和效果，它包含有两层意思：直 接控制转矩和转矩的直接控制。直接控制转矩与矢量控制的方法不同它不是 通过控制电流、磁链等量来矧接控制转矩，而是把转矩直接作为被控制量，直 接控制转矩。因此它并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆 形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因 而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念，而对 转矩的直接控制是指利用直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式 是通过转矩两点式调节器或三点式调节器把转矩监测值与转矩给定值作滞环的 比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制。 因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩 的实际状况，它的控制既直接又简化。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直 接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控 制和磁链自控制。但以转矩为中心来进行综合控制。 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述，直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标 系下计算与控制交流电机的转矩，采用电子磁场定向，借助于离散的两点式调 节产生p w m 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。它省捧了复杂的矢量变化与电动机数学模型的简化处理，没有通常的 p w m 信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处 理的物理概念明确，该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内无超调，是 一种具有高静动态性能的交流调速方法。 1 4 2 直接转矩控制的发展方向 二十年来，国内外直接转矩控制技术不断得到发展和完善，许多文章从不 同的角度提出了新的见解和方法，特别是随着各种智能控制理论的引入，又涌 现出了许多基于模糊控制和人工神经网络的d t c 系统，控制性能得到了进一步 的改善和提高。直接转矩控制的发展得益于现代科学技术的进步。现代控制理 论和智能控制理论( 以模糊控制和人工神经网络为主) 是人们改进d t c 系统最主 要的理论依据；商性能的数字处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和众多新型的 器件的出现，则为改进d t c 系统提供了强大的物质基础。直接转矩控制技术的 发展主要体现在如下几个方面：1 低速性能的改进；2 无速度传感器技术的发展； 3 电压空间状态矢量的改进；4 速度反馈控制器的改进；5 磁链模型的改进。 现在，人们对d t c 系统的研究往往还是从改善系统某些性能出发，对所用 的理论思想进行部分的改进。也就是说，整个领域的研究还基本停留在一个局 部完善的水平上，而没有达到全面提高的层次。由于近期研究成果的大量涌现， 人们现在对直接转矩控制的认识更加深刻，对各种局部性能的改善也有了更多 的选择方案。因此，追求整体性能最优将成为今后直接转矩控制研究的主要方 向。通过改进系统各组成环节的内部结构来提高系统性能，其效果是非常有限 的，从软件方面着手改进系统将是今后的大势所趋，智能控制会发挥越来越大 的作用，成为整个系统的控制核心。近几年发展起来的将神经网络和模糊控制 结合起来的神经网络或神经网络模糊控制肯定会成为直接转矩控制的重要手 段。 学者们一般认为传统的直接转矩控制采用两个滞环比较器，通过b a n g b a n g 控制实现对磁链和转矩的解耦控制，而矢量控制的主要目标是采用坐标变换方 武汉理t 大学硕士学位论文 法对定子电流进行解耦控制，并间接地实现对转矩和磁链的解耦控制。两者的 主要区别在于：矢量控制一般具有p w m 逆变器和定子电流闭环，而直接转矩控 制没有。实际上，目前的直接转矩控制和矢量控制正在不断地融合，取长补短， 区别特征己经不太明显。目的都是实现对磁链和转矩的解耦控制，其控制目标 均是空间矢量，数学模型也都是建立在空间矢量的基础上。两种方法取长补短 相互融合以构成更加优良的控制系统，将是未来的发展方向。 1 5 本文的研究内容 本文以电动汽车驱动系统控制策略作为研究对象。在研究中，首先选定了 交流异步电机律为电动汽车驱动电机，并选用了直接转矩控翩作为交流异步电 机的调速方法。进而为电动汽车驱动系统建立了力学模型和控制模型，为直接 转矩控制提供转矩给定值。 本文在分析直接转矩控制基本原理的基础上，利用d s p a c e 的快速控制原型 方式和d s p a c e 系统的软硬件环境，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了交流异步电机 的实时控制系统；并对控制参数进行了在线调参，改善了实际性能。 在力学模型的基础上，本文为电动汽车电机驱动系统建立了控制模型，其 结构框图如图1 2 所示。该模型的控制目的是，在保证电动汽车驱动电机尽量不 过载的情况下，为直接转矩控制模块提供转矩给定值，使电动汽车的行驶状态 尽可能快速、准确的达到驾驶员的驾驶目的。其中的研究重点是驱动系统控制 器。它以驾驶员的操作，主要是车速的输入，输出转矩给定值提供给电机及其 控制器模块。电机的控制器以转矩给定值作为目标值，控制电机的输出转矩， 从而使电动汽车达到驾驶员的驾驶目的。 图1 2 电动汽车电机驱动系统控制框图 武汉理工大学硕士学位论文 第二章异步电机直接转矩控制系统原理 本章首先对直接转矩控制的理论基础作比较系统的介绍，这些理论基础是 理解直接转矩控制的前提。 2 1 异步电机的数学模型 异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了便 于分析异步电机的数学模型，必须进行一些假定，以抽象出所谓的理想电机来。 这些假定是： ( 1 ) 忽略空间谐波，三相定子绕组和三相转子绕组在空间对称分布f 在空间 互差1 2 0 。) ，各项电流所产生的磁动势沿气隙圆周按f 弦规律分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和，各相绕组的自感和互感都是线性的，从而可以使用叠 加原理； ( 3 ) 忽略电机铁心损耗； ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对电动机参数的影响。 异步电动机的数学模型包括电压方程、磁链方程、转矩方程及转子运动方 程等。如图2 - 1 所示为三相异步电动机的物理模型。【】【4 】 七 图2 - 1 三相异步电动机的物理模型 图2 - 1 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 武汉理工大学硕十学位论文 轴；转子绕组轴线a ，b ，c 随转子旋转，转子a 轴和定子a 轴间的电角度e 为空 间角位移变量。 1 电压方程： e 0 000 0 0r000 0 0 0r0 00 00 0 胄，00 00 0 0 r ，0 00 0 0 0r 妒 妒口 叫笏 妒b 妒。 式中：h 、“口、“c 、“。、h 6 、“。一定予转子相电压的瞬时值； f 。、f 。、f 。、i 。一定子转子相电流的瞬时值； 妒。、妒。、妒。、妒。、妒6 、妒。一定子转子绕组的全磁链： p - 丢微分算子，r ，r ，分别为定转子每相电阻。 2 磁链方程： 妒 妒b 妒c 妒。 妒6 妒。 工m a 丑m a ci v a a v l a bm “ m ml bm b cm mmb b m b c m “m c bl cm c 。m c bm c c m “m dm 。cl 。 m a b m 。 m “mb bm b cm b 4l b m b c 吖“m 。8m m 。m l 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中：l 、“、上。、l 。、k 、l 。一定子、转子各相的自感；电感矩阵中 其它元素分别为定子或转子相间的互感。 3 转矩方程： 电磁转矩可由能量守恒定律导出。根据能量转换原理，在多相绕组电机中， 其磁场储能为 _ l i 7 妒 ( 2 3 ) 式中：f - f 。i 。i ci 。i 。i 。r ； 妒= b 。妒。妒。妒。妒。妒。】r ； “bkb玷 帅鼬舯比如如 武汉理t 大学碰上学位论文 根据能量守恒原理，在异步电机运行时，其电磁力矩r e 等于电流不变时磁 场储能对机械角位移以的偏导数。即 t 一等卜p 。等l 。 沼4 ， 式中：p 。一电机的磁极对数；啡为电角位移，q = 以吒。 1 p p 警r 百o g s rf r 】 - 一p m 【( i a i 。+ i b i b + i c i 。) s i n 0 , ( 2 - 5 ) + ( f i 6 + i b i 。+ f c i 。) s i n ( o ，+ 1 2 0 。) + ( i a i 。+ i b i 。+ i c i 6 ) s i n ( o ，一1 2 0 。) 】 式中： 肼。一定转子之间的互感a 4 运动方程： t 2 瓦+ 吉警 式中：l 一负载阻力矩： j 一机组的转动惯量； 。一电机的旋转角速度。 2 23 2 静止坐标变换 出于转子的旋转，定、转子绕组间 的互感将是定、转予相对位置的函数， 使得交流电机的数学模型为一组非线 性的微分方程式。为了解除定、转子间 这种非线性的耦合关系，需要对其进行 变量的坐标变换，建立起n b 参考坐 标系内的异步电机数学模型。在三相静 止绕组a 、b 、c 和两相静止绕组n 、 1 3 之f u j 的变换，称为三相静止坐标系和 二相静止坐标系间的变换，简称3 2 变 ( 2 6 ) t 图2 2 三相、两相静止坐标系 与磁通势空间矢量 武汉理工大学硕士学位论文 肾m 吲 协7 ， ，1f 2 l 3 ”。、j ( 2 8 ) 反之，如果要从两相坐标系变换到三相坐标系，简称2 3 变换，可求其反变 换阵c 2 胪 r，- lf 2 l 2 ，3 。l 3 ，2 。q j ( 2 9 ) 肾m 剐 协 并且满足f 。+ i 。+ i 。，0 ，于是三相坐标系与两相坐标系之间的电流变换可进一 步简化为： 。 ! ：鱼：后 _ 一1 2告鱼：“ l o ，j 上压上压上压 。拈丁拈了 l 1 2 1 2 一 一 武汉理工大学硕士学位论文 鲫北卜 2f 据 o 12 6 2 ( 2 1 1 ) 三相坐标系与两相坐标系之间的电压和磁链变换式及电流变换式相同。1 5 1 7 i 2 3 异步电动机空间矢量等效电路 控制系统利用异步电机空间矢量的等效电路进行分析，如图2 - 3 所示。该等 效电路是在正交定子坐标系( a 且坐标系) 上描述异步电机的，其数学模型见 公式( 2 - 1 2 ) ( 2 1 7 ) r ij ( 0 审? 图2 3 异步电机空间矢量等效电路图 ”取+ 警 配一警+ ，唧，一。 妒，罱l ( 一) 妒，= 妒。一l 。i r i 2 a 妒，咖曰 挚= 墨j ( i 吲 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 武汉理t 大学硕士学位论文 式中：r s 一定子电阻；r r 一转子电阻；卜定子自感；l o 漏感；p i r 电 机极对数；t e 一电机转矩：瓦一负载转矩；j 一转动惯量；l , t s 一定子电压空间矢 量；f ，一定子电流空间矢量；i ，一转子电流空间矢量；i , ，一定子磁链空间矢量； 妒，一转子磁链空间矢量；0 一定子磁链与转子之问的夹角，即磁通角；u 一电 机旋转电角频率。 2 4 逆变器数学模型与空间电压矢量 直接转矩控制事实上是将逆变器的控制模式和电机运行性能作为一个整体 来考虑的。通过控制异步电动机的输入电压来实现对电动机定子磁链的控制， 当对称三相正弦波电压加到对称三相绕组时，在电动机的气隙中将产生具有恒 定幅值和恒定旋转速度的磁通，这时电机将在理想的状态下运行。当异步电动 机是由一个三相逆变器供电时，则电动机的输入电压完全取决于逆变器的开关 切换模式，而电动机磁通的波形又取决于输入电压的模式。因此直接转矩控制 的目标之一就是建立磁链和逆变器开关模式之间的关系，通过控制逆变器开关 正确的切换，使电动机气隙获得一个近似圆形的磁场。 2 4 1 逆变器数学模型 逆变器一般分为电压型、电流型两种逆变器。直接转矩控制系统中采用的 是电压型逆变器。图2 - 4 为直接转矩控制系统中采用的电压型逆变器，图2 - 5 为 逆变器等效电路图，该逆变器各开关元件的通断可以组成8 个开关状态。图中 的开关量s a 、s b 和s c 分别代表3 个支路开关元件的状态。等于1 ，则相应 图2 - 4 逆变器简化图 上部开关元件导通；等于“o ”，则下部元件导通。 输出三相相电压为式( 2 - 1 8 ) 所示。 图2 5 逆变器等效电路 逆变器输入电压为u d ，则其 武汉理丁大学硕士学位论文 u o , t - 警( 2 s , - s b - s 。) t 警( 吨缁。幔) ( 2 1 8 ) ”警。一s b + 2 8 组开关状态对应s a ，s b ，和s c 的8 种编码， 8 种编码代入式( 2 - 1 8 ) 就得 到8 组三相相电压，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 逆变器的电压状态与定子电压 电压状态电机定子电压 ，( n ，b ，c ) 屹t u ，( o o ，0 ) ooo u ，0 0 0 ) 2 3 u d 一1 3 u d一1 3 u d u ，( 1 1 0 )1 3 u d1 3 d一2 3 u d u ，( 0 1 0 )一1 3 u d2 3 u d一1 3 u d u ，( 0 1 1 )一2 ：3 0 d1 3 u d1 3 u d u 。( 0 0 1 ) 一1 3 ( i d 一1 3 u d2 3 u d u ，0 0 1 )1 3 u d一2 3 u d1 3 u d u ，( 1 1 1 ) o 00 2 4 2 空间电压矢量 利用p a r k 矢量可把这8 组电压变换成8 个电压空问矢量“。，“，u ，。幅值 不变的原则下，三相电压的p a r k 矢量表示式为式( 2 - 1 9 ) 所示。 u ，半( s 。+ s 。m ”+ s 。一，) ( 2 1 9 ) 以定子绕组轴线为空间坐标系，在空间建立正交二相坐标系a - 1 3 。按式 ( 2 。1 9 ) 可以画出8 个电压空间矢量，如图2 - 6 所示。其中零电压矢量v , ( 0 0 0 ) 、 k ( 1 1 1 ) 则位于坐标原点。电压空间矢量的幅值不变，都等于2 吼3 。矢量的顺 序从状态1 到状态6 。逆时针旋转。所对应的开关状态是 武汉理工大学颀士学位论文 1 0 0 - 1 1 0 - 0 1 0 - 0 1 1 0 0 1 - 1 0 1 ，所对应的逆变器电压状态，即电压空间矢量是 k ( 1 0 0 ) 一k ( 1 1 0 ) 一k ( 0 1 0 ) 一一( 0 1 1 ) 一( 0 0 1 ) 一k ( 1 0 1 ) 。图2 - 7 给出在有效 电压矢量的作用下定子磁链的轨迹，定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹 对应于相应的电压空