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混合动力车用永磁同步电机控制策略研究及r c p 在环仿真 摘要 随着永磁同步电机在混合动力汽车领域的应用越来越广泛，车用永磁同步电 机控制系统的研究意义也日益显著。电机控制器的好坏直接决定了混合动力汽车 动力性能及乘坐舒适性。本文以湖南大学“9 8 5 工程”项目和江苏省重点实验室 开放基金项目为依托，针对传统双闭环直接转矩控制方案存在的转矩、转速脉动 大的缺陷，采用基于模糊的零电压矢量作用时间控制方法对传统的直接转矩控制 策略进行了改进，主要创新点和研究工作如下： ( 1 ) 以某客车公司1 2 m 混合动力客车用永磁同步电机为研究对象，在磁路分 析的基础上建立了两相静止坐标系( a 声坐标系) 下的永磁同步电机非线性数学模 型。在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了双闭环直接转矩控制方案的仿真模型，通过 仿真分析验证了所建永磁同步电机模型的正确性，并指出传统双闭环直接转矩控 制的不足。 ( 2 ) 针对混合动力车用电机能量回馈的特点，对直接转矩控制电压开关矢量 表进行了优化。在双闭环直接转矩控制的基础上加入零电压矢量作用时间控制模 块，并建立零电压矢量作用时间的模糊控制器。利用m a t l a b s i m u l i n k 对基于 模糊优化的电压矢量表直接转矩控制进行离线仿真，仿真研究结果表明改进后的 直接转矩控制策略能较大程度地降低永磁同步电机额定工况下的转矩、转速脉动。 ( 3 ) 利用d s p a c e 实时仿真系统搭建了基于模糊优化的电压矢量表直接转矩 控制策略的r c p 快速原型试验平台，通过试验验证了改进后的策略对永磁同步电 机控制的有效性。 关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；零电压矢量；d s p a c e ；r c p 快速原型 i i a b s t r a c t t h ep 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 sa r eb e i n gu s e di nt h eh y b r i d c a r s f i e l d sm o r ew i d e l y a n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h ec o n t r 0 1s y s t e mf o rp e r m a n e n tm a g n e t s v n c h r o n o u sm o t o ra r ea l s om o r eo u t s t a n d i n g am o t o rc o n t r o l l e rd i r e c t l yd e t e r m i n e s ah y b r i dc a r sp o w e rp e r f o r m a n c ea n dr i d i n gc o m f o r t t h i sa r t i c l ec o n s i d e r st h a tt h e t r a d i t i o n a ld o u b l ec l o s e dl o o pd i r e c tt o r q u ec o n t r o le x i s tr i p p l ed e f e c t so ft o r q u ea n d r o t a t i n gs p e e d ，a n da d o p t sac o n t r o ls t r a t e g yb a s e d o nf u z z yz e r ov o l t a g ev e c t o ra c t i n g t i m et oi m p r o v et h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h e “9 8 5e n g i n e e r i n g p r o j e c to fh u n a nu n i v e r s i t ya n dk e yl a b o r a t o r yo p e nf u n dp r o j e c to fj i a n g s up r o v i n c e t h em a i ni n n o v a t i o n a lp o i n t sa n dr e s e a r c hw o r ka r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t a k i n gt h ep 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 ri na12mh y b r i db u so f o n eb u sc o m p a n ya st h er e s e a r c ho b je c t ，t h ea r t i c l eb u i l ti t sn o n l i n e a rm a t h e m a t i c a l m o d e li nt h et w op h a s es t a t i cc o o r d i n a t es y s t e m ( a 侈c o o r d i n a t es y s t e m ) b a s e do nt h e a n a l y s i so f t h em a g n e t i cc i r c u i t t h es i m u l a t i o nm o d e lo fad o u b l ec l o s e dl o o pd i r e c t t o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yw a sb u i l t i nm a t l a b s i m u l i n k t h em o d e lp r o v e dt ob e a c c u r a t et h r o u g ht h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n dt h a tt h es h o r t c o m i n go ft h et r a d i t i o n a l d o u b l ec l o s e dl o o pd i r e c tt o r q u ec o n t r o lw a sp o i n t e do u t ( 2 ) c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fe n e r g yf e e d b a c kf o rh e v , o p t i m i z a t i o nw a s d o n eo nt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l l i n gv o l t a g ev e c t o rt a b l e t h et i m ec o n t r o lm o d u l eo f z e r ov o l t a g ev e c t o rw a sa d d e do nt h eb a s i so fd o u b l ec l o s e dl o o pd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ， a n dt h ef u z z yc o n t r o l l e rf o rt i m ec o n t r o lm o d u l eo fz e r ov o l t a g ev e c t o rw a sc r e a t e d t h er e s u l to fo f f - l i n es i m u l a t i o nt od i r e c tt o r q u ec o n t r o lo ff u z z yo p t i m a lv o l t a g e v e c t o rt a b l e ，b a s e do nm a t l a b s i m u l i n k ，s h o w e dt h a tr a t e dt o r q u ea n ds p e e d f l u c t u a t i o no ft h ep 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 rc o u l db eg r e a t l yr e d u c e dd u e t ot h ei m p r o v e dd i r e c tt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g y ( 3 ) t h et e s tp l a t f o r mf o rr a p i dc o n t r o lp r o t o t y p e ，b a s e do nd i r e c tt o r q u ec o n t r o l s t r a t e g yo ff u z z yo p t i m a lv o l t a g ev e c t o rt a b l ew a se s t a b l i s h e d w i t ht h eu s eo fd s p a c e r e a l t i m es i m u l m i o ns y s t e m ，a n dt h et e s tp r o v e dt h ev a l i d i t yo fi m p r o v e dd i r e c tt o r q u e c o n t r o ls t r a t e g yt ot h ep 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 k e yw o r d s ：p m s m ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；z e r ov o l t a g ev e c t o r ；d s p a c e ；r a p i dc o n t r o l p r o t o t y p e i i i 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 目前汽车己成为人们生活中不可或缺的交通工具，在现代社会中扮演者越来 越重要的角色。但是在汽车发展的过程中，对社会和环境产生了一些不容忽视的 负面的影响，最主要的如：环境污染和能源危机。 根据英国石油公司( b p ) 2 0 1 1 提供的数据，2 0 1 0 世界剩余石油探明储量为1 8 8 0 亿吨，按目前的开采速度，可支配的石化能源仅可供开采4 1 年【lj 。美国能源部预 测，2 0 2 0 年以后，全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口，2 0 5 0 年的供 需缺口几乎相当于2 0 0 0 年世界石油总产量的2 倍。同时，汽车尾气对全球大气环 境的污染日益严重，相关研究结果表明，汽车尾气己成为继煤烟之后大气的主要 污染源，成为影响城市居民生活质量的一个主要因素【2 j 。汽车尾气中含有许多没 有完全燃烧的、具有挥发性的有机污染物，如固体悬浮微粒、一氧化碳、氮氧化 物、硫氧化物等。它们飘散在空气中，被人们吸入肺部后，会导致多种疾病，严 重影响人们的健康。因此，开发低废气排放，低油耗的新型汽车成为当今汽车界 的紧迫任务。目前传统发动机的电子控制技术( 如燃油喷射、怠速稳定、点火正时、 废气再循环等) 的应用使汽车的油耗和排放有了一定程度的降低，但由于传统内燃 机汽车本身的缺陷，发动机很难保持在最佳燃油点处运行，因此传统内燃机汽车 无法从根本上解决尾气排放导致的环境问题以及燃油消耗产生的能源危机。 目前世界许多国家致力于新能源汽车的研究与开发，试图找到石油燃料的理 想替代品。经过多年的研究一些替代能源已经处于应用阶段，如电能、天然气、 液化石油气、醇类燃料等；有的还处于研究试验阶段，如氢气、太阳能、生物质 能等。综合对比几种新能源，不难发现每种能源在应用方面均存在着诸多问题有 待解决。比如，电能来源非常丰富，但是蓄电池充电时间较长，汽车续航里数短； 天然气、液化石油气能量密度小，动力性能较差：氢气生产成本高，能量密度小 且储运不便；太阳能效率低，且受环境影响较大等【3 】。 在这种环境下，混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 作为一种同时结 合内燃机车和电动汽车优点的新型汽车，在世界范围内成为各个国家研究的热门 方向。19 9 7 年，世界第一款量产混合动力车普锐斯在日本市场发布，当年售出 1 8 0 0 0 辆，截至2 0 1 1 年0 2 月底仅丰田公司的混合动力汽车全球销量为3 0 3 万辆。 据了解，国内“十二五”期间，在混合动力汽车领域计划实现轻混乘用车大批量 投放市场，中重混乘用车投放市场，插电式混合动力乘用车批量生产、应用，插 混合动力车用永磁同步电机控制策略研究及r c p 在环仿真 电式混合动力公交车小规模示范运行，混合动力大客车大批量投放市场。各种混 合动力乘用车年产量达到当年乘用车总产量的2 0 【4 1 。h e v 采用复合动力后可以 利用合理的能量分配使发动机工作在低油耗、污染少的最优工况下；另外由于充 电电池的存在，汽车在制动、下坡或怠速时可将产生的能量回收起来以供汽车在 其它工况下使用。混合动力汽车相对现有纯电动汽车有效地提高了续航里程，增 加了车辆的实用性。 1 2 国内外混合动力车用电机的应用情况及发展趋势 1 2 1 混合动力车用电机的应用情况 电机驱动技术是h e v 的核心技术之一。目前，混合动力汽车采用的驱动电 机主要有以下几类： ( 1 ) 直流电机 直流电机是一种将直流电能转变成机械能的旋转电机。直流电机的主要优点 是可以频繁快速起动、制动和反转；调速平滑、无级、精确及调速范围广；利用 简单地控制即可实现优良的控制性能。国内早期研发的电动汽车如粤海e v 6 4 6 0 n 和奇瑞电动汽车s q r 7 1 6 0 等均使用直流电机作为驱动装置【2 1 。虽然直流电机存在 控制简单的优点，但是电刷及机械换向装置的存在使得直流电机的过载能力与速 度很难进一步提高。直流电机长时间的运行势必导致经常维护电刷和换向器，从 而增加了维护成本。另外，由于功率损耗存在于转子上，损耗的能量转化为热量， 使得散热困难，温升增高，限制了电机转矩重量比的进一步增加，因此直流电机 在现代电动汽车中应用越来越少。 ( 2 1 感应电机 由于现代电子技术和高性能控制技术的发展，感应电机在电动汽车中已被广 泛的应用，尤其是一些欧美国家。感应电机具有结构简单，可靠性高，维护成本 低等优点，使其在电动汽车的应用受到研究人员的青睐。另外上世纪7 0 年代感应 电机矢量控制原理的提出使得感应电机可获得类似于直流电机控制系统的静、动 态性能。因此，感应电机在电动汽车领域的应用愈加广泛。目前采用交流感应电 机的电动汽车主要有美国通用公司的e v - l 型电动汽车、丰田汽车公司的e v - 3 0 、 海南马自达m p e 以及福特公司生产的大部分电动车等。部分型号车辆用交流电机 性能如表1 1 所示【2 j 。 f 3 ) 永磁同步电机 1 8 2 1 年9 月，法拉第发现通电导线能绕永久磁铁旋转从而建立了电机的实验 室模型，该模型被认为是世界上第一台永磁电机。由于永磁材料的限制，永磁电 机的发展一直比较缓慢。直到1 9 6 7 年，钐钴永磁材料的出现加快了永磁电机发展 硕士学位论文 的步伐f5 1 。近年来，电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁 材料的迅速发展使永磁同步电动机在电动汽车领域得以迅速推广使用。 表1 1 汽车使用中的感应电机性能 永磁同步电机的高能量密度和效率的特点，使其在混合动力汽车领域具有较 好的应用前景。永磁同步电机按驱动电流类型可以分为两类：一类是永磁无刷直 流电机( b l d c m l ，另一类是调速永磁同步电机( p m s m ) 。永磁无刷直流电动机用 电子换向装置替代直流电机的换向器，解决了直流电机的换向问题，同时保留了 直流电机的优良特性。b l d c m 既具有结构简单、运行可靠、启动转矩较大的优 点，同时控制方式及位置检测较为简单，因此在汽车领域得到一定程度的应用。 但是，b l d c m 的缺点也同样显著，其转矩脉动较大、噪声显著、控制精度低， 故仅在有减速系统和车速要求相对较低的电动汽车驱动中存在。p m s m 具有工作 效率高、转矩密度大、控制精度高、工作噪声小等特点，并且通过设计合理的磁 路结构能够改善其弱磁性能，其在电动车驱动领域具有较高的应用价值，受到国 内外电动汽车研究人员的普遍重视。最新研发的混合汽车较多采用调速永磁同步 电机( p m s m ) 作为驱动电机。永磁同步电机在汽车上的应用情况如表1 2 所示1 2 l 。 ( 4 ) 开关磁阻电机 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，s r m ) 相比其它类型的电机发展时 问较短。开关磁阻电机转子上没有任何形式的绕组，结构简单，成本低，损耗小， 效率高，高温运转性能好。但其具有较为显著的缺点：磁场跳跃性旋转，转速和 转矩脉动较大，噪音和振动明显；控制系统需要安装位置检测器和电流检测器， 控制和接线较为复杂。 与直流有刷电动机驱动系统相比，感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机 在汽车应用方面具有明显优势，其突出特点是体积小，质量轻，调速范围广，可 靠性高。目前，美国的汽车公司大多采用高速、高效的交流异步电动机驱动系统， 日本的汽车公司基本上采用永磁同步电动机驱动系统。我国的电动轿车多采用永 磁同步电动机驱动系统，大型客车多采用交流感应电机【6 j 。 混合动力车用永磁同步电机控制策略研究及r c p 在环仿真 1 2 2 混合动力车用电机发展趋势 交流感应电动机由于结构坚固，设计成高速电机时能满足车用电机的体积要 求，并且通过优化控制策略易获得较高的系统效率。目前，国外对交流感应电机 驱动系统的研究已经取得了一定的成果，我国在这方面的研究还不成熟，诸如控 制系统性能、电机效率等一系列问题还有待解决。作为混合动力车用电机，要实 现系统性能可靠、结构紧凑的目标，还需要进一步的研究。 我国是一个稀土大国，稀土储量约占世界稀土储藏量的3 4 ，研究和开发稀 土超磁致伸缩材料及其驱动设备，不仅能促进我国高新技术的发展，获得巨大的 经济效益和社会效益，而且能推动稀土永磁材料的发展【_ 7 1 。目前，永磁同步电机 已有较大范围的应用，应用技术也日趋成熟。预计在将来很长一段时间内，永磁 同步电机仍将有很好的应用和发展。 本文的研究课题跟国内某大型客车企业合作完成，文中研究电机为某型号 1 2 m 混合动力公交车用永磁同步电机。 1 3 车用永磁同步电机控制系统概述 电动机的速度控制实际上是通过控制转矩实现的。在永磁无刷直流电动机中， 电枢电流产生的磁动势总与永磁磁场正交，转矩表达式可以表示为： 乙= k r ，。( 1 1 ) 式中，k 7 为比例常数i ，函，为永磁磁动势的每极磁通，可作为常数；厶为电枢电流。 由式( 1 1 ) 知，通过控制电枢电流便可实现转矩控制，从而实现永磁无刷直流 电动机的调速。而调速永磁同步电动机的电枢反应磁动势与永磁磁场不正交，难 以通过控制电枢电流调节电动机的转矩。目前，调速永磁同步电机主要控制方法 有矢量控制和直接转矩控制两种峭j 。 硕士学位论文 1 3 1 矢量控制 1 9 6 9 年d a r m s t a d e r 工科大学的h a s s e 博士初步提出了电机磁场的定向控制理 论，之后1 9 7 1 年美国p c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压 的坐标变换控制”和西门子( s i e m e n s ) 公司的f b l a s c h k e 博士等提出的“感应电 机磁场定向控制原理”为电机矢量控制的发展奠定了基础。矢量控制方式实现了 交流电机转矩和磁链的解耦控制，使得交流电机控制系统动态性能有了显著的改 善。矢量控制极大改善了感应电机的动态控制性能，使之能与直流电机的控制效 果相媲美峭j 。 矢量控制包括坐标变换以及其它一些包含非线性的复杂运算，其运算处理的 规模比直流调速大若干倍。7 0 年代微机技术的发展还未成熟，逆变器的开关频率 很低，难以适应矢量控制中电压电流的快速变化，无法进行电机的实时控制。因 此7 0 年代矢量控制并未走入实际应用。直到2 0 世纪8 0 年代i g b t ( i n s u l a t e dg a t e b i p o l a rt r a n s i s t o r ) 的出现，才迅速促使成熟可靠的交流调速产品进入各个工业领 域。新型电力电子器件的面世给高性能控制技术的发展奠定了坚实的物质基础。 另外，高性能调速控制技术的实现也离不开微处理器技术和数字化控制技术的支 持。1 9 9 2 年开始，德国s i e m e n s 开发了6 s e 7 0 通用型系列，通过f c 、v c 、s c 板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制【9 j 。 进入2 1 世纪以来，矢量控制的研究仍在如火如荼的进行，美国、德国和日本 依然走在世界的前列，但这三个国家在研究侧重点各有不同。美国的研究人员在 电机参数辨识方面研究比较深入，并且将神经网络控制、模糊控制等一些最新的 控制技术应用到这方面。德国在将矢量控制应用于大功率系统方面的技术实力较 强。而日本在研究无速度传感器方面较为先进，主要应用于通用变频器上【l0 1 。 永磁同步电机矢量控制与感应电机的矢量控制类似，通过坐标转换由三相 口b c 静止坐标系变换到d - q 坐标系后，根据检测到的转子磁极位置信息对电枢电 流( 幻，i q ) j 差行控制。永磁同步电机电机矢量控制系统的原理图如图1 1 所示。 位置广速度r - _ 1 q 轴电枢，一塑三j 位置控制器p 量刘速度控制器蚓电流控制器 坐标 变换 i 电流 透p w m 带徘逆端m m 州赫 速度d _ _ d t 图1 1 永磁同步电机电机矢量控制系统原理图 混合动力车用永磁同步电机控制策略研究及r c p 在环仿真 矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链 难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过 程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 1 3 2 直接转矩控制 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，d t c ) 也叫做直接自控制( d i r e c t s e l f - c o n t r o l ，d s c ) ，是自七十年代发展起来的矢量控制技术之后出现的一种具有 高性能的新型交流调速技术。它利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接 在定子交流坐标系下分析交流电机的数学模型，估算定子磁链和输出转矩，采用 离散的滞环比较器( 属于b a n g b a n g 控制) ，把输出转矩的指令值与估算值、定子 磁链大小的指令值与估算值作比较，使输出转矩和定子磁链大小的波动限制在一 定的允许误差范围之内，并直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高性能的 转矩输出。 1 9 7 7 年美国学者a b p i u n k e t t 就提出类似于直接转矩控制思想的磁链和转矩 控制方法。2 1 。在此方法中，转矩指令值与反馈值之差利用p i 调节得到滑差频率， 再加上电机的转速即可得到逆变器输出电压频率：定子磁链指令与反馈之差通过 积分运算得到一个电压和频率之比的量，并使之与定子频率相乘得到逆变器应输 出的电压，最后通过s p w m 方式对电机进行控制。但是当时对瞬时磁链的估值还 没有一个很好的解决方法，使其实现起来颇具困难而未曾引起广泛的注意。1 9 8 5 年德国波鸿鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授根据对瞬时空间理论的深入研究，首 次提出直接转矩控制理论。1 9 8 7 年m d e p e n b r o c k 教授又把这种理论推广到电机 弱磁调速的范围i s j 。这种控制方法不必考虑如何将定子电流解耦为励磁电流和转 矩电流，而是通过检测到的定子电压和电流借助瞬时空间矢量理论估算电机的磁 链和转矩，并根据与指令值比较所得差值实现磁链和转矩的直接控制，从而使得 直接转矩控制的交流电机调速系统线路简单，控制性能不依赖于电机参数，提高 了控制系统的鲁棒性。 直接转矩控制的实质与矢量控制一样，都是通过转矩电流控制输出转矩、通 过励磁电流控制磁链大小。在矢量控制中，首先通过矢量变换得到具体的转矩电 流和励磁电流，并与相应指令值进行比较，通过电流控制器求取施加到电机上的 电压。与矢量控制不同，直接转矩控制对转矩电流和励磁电流的控制不是直接进 行的，而是根据电枢磁链和输出转矩选择相对合适的电压矢量。直接转矩控制与 矢量控制相比，更简捷、快速，提高了系统的动态响应能力。在直接转矩控制系 统中由于没有磁链和转矩的解耦，因此不需要观测转子磁链方向和大小，使得控 制系统大为简化，同时也减少了电机参数变化对控制系统性能的影响。 6 硕士学位论文 1 3 3 车用永磁同步电机控制策略的研究现状 随着永磁同步电机在车辆上的应用日益广泛，针对永磁同步电机控制策略的 研究也越来越多。土耳其g a z iu n i v e r s i t y 的c e t i ne l m a s 和o g u zu s t u n 提出了一 种混合控制器的设计，其中包括滑模控制器( s m c ) 和神经网络控制器，在二者联 合控制下，永磁同步电机的动态响应速度和动态稳定性均得到一定提高【”】。比利 时c h e n tu n i v e r s i t y 的f r e d e r i km d eb e l i e 、p e t e rs e r g e a n t 等人针对无传感器永磁 同步电机利用脉冲调制技术实现了电机动态性能的提升【l 引。意大利p o l i t r c n i c od i m i l a n o 的m s c a r m e l i 和m m a u r i 利用可变结构控制理论对直接转矩控制进行 改进，提高了直接转矩控制的稳定性l l5 。土耳其f a t i hu n i v e r s i t y 的a l ia h m e d a d a m 和k a y h a ng u l e z 提出一种混合滤波方法降低永磁同步电机的转矩脉动【l 引。 国内研究方面，浙江大学的孙丹博士将空间矢量调制的方法引入到常规直接转矩 控制中，空间矢量调制算法根据转矩和磁链的需要提供更为精确的连续电压空间 矢量，从而可以更精确的进行转矩和磁链控制【l7 1 。上海同济大学的姚海兰根据空 间电压矢量控制的原理，对s v p w m 进行优化，提出了直接转矩空间矢量调制的 策略，利用电压空问矢量调制使逆变器实现电压空间矢量的连续输出，有效减小 了转矩脉动l l 引。华中科技大学的陈永军针对永磁同步电机常规直接转矩控制系统 涉及到的问题，研究了其修正改进的方法，提出了一个以转子磁链矢量为基础的 永磁同步电机直接转矩控制速度估计方法l l 圳。 转子磁场定向的矢量控制系统是近2 0 年来实际应用中最为普遍的高性能交 流调速系统，其动态性能好，调速范围宽，但控制性能受电动机参数变化的影响 是其主要缺点。直接转矩控制中电枢磁链定向仅涉及定子的电阻，不因转子参数 变化而变化，所以直接转矩控制具有较好的鲁棒性；另外，直接转矩控制通过电 枢磁链偏差和转矩偏差来确定电压矢量，避免了矢量控制复杂的坐标变换过程， 因此控制系统结构及计算过程相对更简单。但是直接转矩控制系统采用 b a n g b a n g ( 两点式) 控制，存在转速和转矩脉动1 2 0 。2 3 】；另外，直接转矩控制低速性 能较差，这是由于低速运行时，定子电压小，定子电阻的影响无法忽略，且定子 电阻随温度变化而变化。因此，消除和减小转矩脉动，提高动态响应能力，扩宽 调速范围将是直接转矩控制的主要研究方向。 1 4 本文研究的主要内容 本文的研究以某大型客车公司的1 2 m 混合动力汽车用永磁同步电机为研究 对象，对整车匹配电机进行磁路分析建立永磁同步电机的非线性模型，并对常规 直接转矩控制存在的问题进行研究，在此基础上针对混合动力车用电机的特点对 常规直接转矩控制策略进行优化改进。文章结构图如图1 2 所示： 混合动力车用永磁同步电机控制策略研究及r c p 在环仿真 笫1 章绪论 第2 章 永磁同步电机非线性模型建 立及直接转矩控制策略研究 第3 章基于模糊优化的电压 矢量表直接转矩控制及仿真 研究 针对混合动力车车用电 机特点的电压开关表优 化及基于模糊的零电压 矢量作用时问控制 永磁同步 电机磁路 分析 第4 章d s p a c e 平台r c p 在环仿真试验 结论与展望 图1 2 文章结构框图 第1 章对混合动力车用电机的研究背景进行简要介绍。分析了目前国内外混 合动力汽车用电机的应用情况及发展趋势，详细探讨了永磁同步电机控制策略的 研究现状，指出目前永磁同步电机控制方面面临的问题。 第2 章简要说明本文研究的永磁同步电机的基本结构，对永磁同步电机进行 磁路分析，并根据分析结果利用m a t l a b s i m u l i n k 建立永磁同步电机的非线性 模型。采用常规直接转矩控制策略实现永磁同步电机双闭环控制，通过分析仿真 结果指出常规直接转矩控制方式的不足。 第3 章基于模糊化的电压矢量表直接转矩控制策略及仿真研究。首先针对混 合动力车的特点，对直接转矩控制电压开关矢量表进行优化；在此基础上采用基 于模糊的零电压矢量作用时间控制策略，搭建基于模糊优化的电压矢量表直接转 矩控制模型，通过仿真对比验证优化后的直接转矩控制策略的优越性。 第4 章在环仿真平台的建立及试验验证。详细介绍了r c p 快速控制原型仿 真平台软硬件系统的设计过程，通过r c p 在环仿真试验验证基于模糊优化的电压 矢量表直接转矩控制策略的可行性。 第5 章结论与展望。 倾l 学位论文 第2 章永磁同步电机非线性模型建立及直接转矩控制 策略研究 2 1 永磁同步电机的基本结构 永磁同步电机为旋转磁极式磁路结构，永磁体位于转子上，电枢是静止的。 按永磁体放置的方式不同，永磁同步电机可分为表贴式和内置式。表贴式磁极的 永磁体直接与空气隙相对，具有便于加工和安装的优点，但是永磁体直接承受电 枢反应的去磁作用。内置式磁极的永磁体放置于铁心内部，加工工艺相对复杂， 漏磁较大，但是可以同时放置较多的永磁体以提高气隙磁密、减小永磁同步电机 的重量和体积。对于混合动力车用永磁同步电机，永磁体内置式电机机械强度和 扩速能力要优于表贴式电机。另外，永磁同步电机按照转子结构的不同又可分为 凸极永磁同步电机和圆筒型永磁同步电机，如图2 1 所示【x “】。凸极永磁同步电 机在不同的空问位置气隙磁阻不同，而圆筒型永磁同步电机在各个空间位置上的 气隙磁阻都相同。相比而言，圆筒型永磁同步电机控制相对容易。本文研究的永 磁同步电机属于圆筒型内置磁钢式永磁同步电机。 永磁铁 ( a ) 凸极犁 永磁铁 ( b ) 圆筒型 图2 1 旋转磁极型永磁同步电机 永磁同步电机的定子包括铁心、电枢绕组和机座。电枢绕组采用双层三相对 称绕组，当电枢绕组通以三相对称电流时，便在气隙中产生一以同步速肝。旋转的 电气旋转磁场。通过电枢绕组的合理设计，该磁场按f 弦规律分布。电枢绕组产 生的磁场与永磁体产生的磁场相互作用就能产生电磁转矩，进行能量传递和转换。 两个旋转磁场的相对位置决定着永磁同步电机的运行方式，图2 2 表示了两个磁 混合动力车用永磁同步电机控制策略研究及r c p 在环仿真 场的相对位置。图中电枢绕组产生的电气旋转磁场由一对虚拟磁极表示。图2 2 ( a ) 表示永磁体旋转磁场领先于电枢绕组磁场，两个磁场之间的夹角为6 i ，其即为负 载角。如6 ， 0 ，表示永磁转子将受到一个与其转向相反的电磁转矩，转子为保持 同步转速，必须从原动机输入功率来克服该制动性质的电磁转矩。这也意味着从 转子输入的机械功率通过气隙磁场传送到电枢绕组，转换为电功率输出，这时永 磁同步电机工作在发电机运行模式。同理，图2 2 ( b ) 所示6 ， 占。 缈 一1 ) 一s 妙。 占 ( 2 4 3 ) 一1 y 。 s r 0 瓦占r ，丁 一1 ) i l 箸兰椰f ( k - o 非- - - 1 0 i 1 ( 2 4 4 ) - s 丁 t ，r 似一) = - 、 占r t 0 ，r 一1 ) 1 瓦一白 电压矢量模块根据滞环比较器输出信号以及扇区判断结果选择合适的电压矢 量。该模块使用m 函数实现。电压矢量模块的输出通过电压逆变器的转换作用输 入永磁同步电机。基于非线性模型的直接转矩控制器模型如图2 1 8 所示。 2 4 硕士学位论文 图2 1 8 基于水磁同步电机非线性模型的直接转矩控制系统模型 2 3 3 基于非线性永磁同步电机模型直接转矩控制策略仿真 s i m u l i n k 提供了v a r i a b l e - s t e p ( 变步长) 和f i x e d s t e p ( 司定步长) 仿真方式，并有 十几种求解器可以选择。其中，o d e 4 5 是默认求解器，适用于大多数连续或离散 系统，它是单步求解器，即在计算y ( t n ) 时，它仅需处理最近时刻的结果y ( t n 1 ) 【5 5 1 。 本文的研究仿真中使用o d e 4 5 求解器。另外，滞环比较器的采样时间设置为1 0 0 b t s ， 指令转速设置为1 2 0 0 r p m 。 对永磁同步电机直接转矩控制系统进行仿真，仿真结果如图2 1 9 和2 1 0 所 示： 图2 1 9 永磁同步电机直接转矩控制速度曲线 混合动力车用永磁同步电机控制策略研究及r c p 在环仿真 图2 2 0 永磁同步电机直接转矩控制电磁转矩曲线 由图2 1 9 和图2 2 0 可以看出，直接转矩控制控制系统存在转矩脉动和速度 波动，尤其是转矩脉动较为严重，最大脉动值为4 3 n m 。对于混合动力汽车而言， 过大的电机转矩脉动和速度波动影响整车平顺性，并且使得电机耗能增加5 6 1 。 2 4 本章小结 ( 1 ) 针对某大型客车公司混合动力车用永磁同步电机对电机结构进行了基本 分析，简要介绍了永磁同步电机两种不同工作模式的区别。 ( 2 ) 在磁路分析的基础上建立了永磁同步电机在两相静止坐标系下的非线性 数学模型，并利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建了仿真模型。 ( 3 ) 简要介绍了永磁同步电机直接转矩控制理论，基于永磁同步电机非线性 模型，建立了双闭环永磁同步电机直接转矩控制系统。 ( 4 ) 通过仿真分析结果可知，传统直接转矩控制的转矩、转速输出与理想值 相比存在较大转矩脉动和转速波动。 2 6 硕士学位论文 第3 章基于模糊优化的直接转矩控制策略研究 3 1 基于能量回馈的直接转矩控制策略开关矢量表优化 由2 1 节知，永磁同步电机两个旋转磁场的相对位置决定同步电机的运行方 式。当负载角j ， 0 时，转子上将受到一个与其转向相反的电磁转矩，转子为保持同步转速， 必须由原动机输入功率以克服该制动性质的转矩，这意味着从转子输入的机械功 率通过气隙磁场转化为电功率输出，此时永磁同步电机运行在发电机状态。 由文献 5 】可知，在转子同步旋转坐标系下，永磁同步电机的电磁转矩疋与转 矩角( 定子电压向量与q 轴之间的夹角) 表示为： 瓦= 吾胛p l | | k c f i ss i n + l ( z d - l q y ss i n 2 l ( 3 1 ) 另外，永磁同步电机瞬时功率可以表示为： 尸= 知 ( r d i m 。办l 等+ d 西弘t q i 也卜岫b ，i ( 3 2 ) 由式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 可得： 尸= 剖m 。i q z ) + 卜等q 等肛啡 b 3 ， 式中，等号右边只有后半部分是与转矩角有关的，该部分电磁功率可以表示 为式( 3 4 ) 。 匕= c o , p 。f 少，ts i n + 丢丘d l q ) ；s i n 2 f li ( 3 4 ) 由上式可以看出，转矩角的不同，永磁同步电机的电磁功率只m 是正负变化 的，当永磁同步电机作为电动机运行时，o f l o ；当永磁同步电机作为发 电机运行时，n ： f l 2 7 r ，e 。 o 。 对于混合动力汽车而言，永磁同步电机在车辆制动时为了避免制动能量的损 失，在整车能量控制器的作用下作为发电机运行，将制动能量转化为电能为电池 充电【5 7 - 59 1 。 通过2 3 节知，直接转矩控制通过根据磁链、转矩的指令值与估算值的差值， 利用电压开关矢量表选择合适的电压矢量，通过控制磁链旋转速度和方向实现电 磁转矩的变化。电压矢量判断模块根据磁链、转矩误差由式( 2 4 3 ) 和式( 2 4 4 ) e h 滞 2 7 混合动力车用永磁同步电机控制策略研究及r c p 在环仿真 环控制器输出相应的控制信号，通过电压开关矢量表2 3 确定合适的电压矢量。 其中，妒= l ，一1 分别对应磁链指令值大于、小于估算值，r = l ，0 ，一1 分别对应转 矩指令值大于、等于、小于估算值。当电枢磁链位置位于第l 扇区，且r = l 时， 查表2 3 知：电压矢量对应于磁链误差c p = l 和1 分别取v 2 ，v 3 使电磁转矩增加。 当磁链位置位于第1 扇区，且产1 ，即负载转矩小于电磁转矩时，查表2 3 得： 电压矢量对应于磁链误差妒= 1 和1 分别取v 6 ，v 5 使电磁转矩减小。根据三相绕 组两端电压得到电机电枢磁链和转子的位置如图3 1 所示。 ( a )( b ) 图3 1 电机电枢磁链和转子的位置示意图 在图3 1 所示位置永磁同步电机三相绕组感应电动势的瞬时值为： le 。= e os i n0 0 = e o s i n l 2 0 0 ( 3 5 ) 【p 。：e os i n 2 4 0 。 式中疡为电枢绕组最大感生电动势。 当转子位于第1 扇区，转矩增加时，加在三相绕组的电压分别为= 魄3 ， u b = u a j 3 ，阢一2 u a 。3 ( u a c 为直流母线电压) 与式( 3 5 ) 中的感应电动势是相反方向 的，电机是工作在电动机模式的；当转矩减小时，加在三相绕组的电压分别是 = 魄3 ，u b = 2 3 ，玑= 魄3 ，此时，阢与式( 3 5 ) 的感应电动势是同方向 的，电机工作在发电机状态。 由式( 3 4 ) ，当转矩角0 f l o 时，电机运行在电动机模式： 当转矩角兀 口 2 7 r 时，电磁功率尸删 沈p 1 0 皿 ( 3 1 4 ) 式中，p 表示输出变量，c ( p ) 表示输出变量的隶属度函数，f 表示输出模糊子集所 有元素的隶属度值在连续论域e 上的代数积分，而p 牵的取值表示其左右两边的面 积相等，见图3 1 3 。 h 文e ) 1 0e 素 e 图3 1 3 质心法解模糊示意图 经过解模糊化可得到模糊控制器的离散量控制查询表，如表3 4 。 表3 4 解模糊化的模糊控制查询表 32101 23 3 2 3 基于模糊优化的直接转矩控制系统建模 利用表3 1 优化的电压矢量开关表，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立基于模糊优 化的零电压矢量表直接转矩控制系统模型如图3 1 4 所示。 3 6 5 5 5 0 ； ； m 5 5 o 5 5 5 0 0 石 t l 1 1 1 1 ，l 【 0 5 5 5 0 0 正 1 l 1 l l l 5 蛤 5 6 o 0 5 5 5 0 i 1 1 1 1 l 1 6 0 0 5 5 5 0 l 1 1 1 1 1 1 5 5 m 巧 0 2 0 o 2 3 硕士学位论文 图3 1 4 基于模糊优化的电压矢量表直接转矩控制系统模型 对比传统双闭环直接转矩控制模型( 图2 1 8 ) ，基于模糊优化的电压矢量表直 接转矩控制系统对其中的电压矢量表针对混合动力汽车的能量回馈进行了优化， 同时增加了基于模糊的零电压矢量作用时间控制模块。零电压矢量作用时间控制 模块如图3 1 5 所示。 图3 1 5 零电压矢量作用时间控制模块 通过对电磁转矩偏差以及电枢磁链偏差进行模糊化处理，在模糊控制器的作 用下对零电压矢量作用时间进行判断输出，同时辅助计数器功能即可实现零电压 矢量作用时间控制。 3 3 基于模糊优化的电压矢量表直接转矩控制策略仿真研究 m a t l a b s i m u l i n k 中滞环比较器的采样时间同样设置为l o o p s ，永磁同步电 机指令转速设置为1 2 0 0 r p m ，对基于模糊优化的电压矢量表直接转矩控制系统进 行仿真，并将仿真结果与优化前的直接转矩控制系统对比。其中优化前后速度响 应变化曲线如图3 1 6 ( a ) 、( b ) 所示。 混合动力车用永磁同步电机控制策略研究及r c p 在环仿真 g 曼 莛 q 。 g 导 、鼍 固。 ( a ) 传统双闭环直接转矩控制系统速度响应曲线 ( b ) 基于模糊优化的电压矢量表直接转矩控制速度响应曲线 图3 1 6 优化前后直接转矩控制速度变化曲线比较 分析可知，基于模糊优化的电压矢量表直接转矩控制速度波动值最大为 6 r p m ，较传统双闭环直接转矩控制降低6 7 。 优化前后电磁转矩变化曲线如图3 1 7 ( a ) 、( b ) 所示。由仿真结果可知，优化后 的直接转矩控制系统转矩脉动最大值为2 4 n m ，相比传统直接转矩控制减少 4 4 2 ，改进效果明显。 3 8 硕士学位论文 吕