（信号与信息处理专业论文）电动汽车电机驱动控制系统信号处理的研究.pdf

摘要 摘要 随着全球性的能源危机的日益加剧和环境污染的日益严重，“绿色环保型 电动汽车已成为世界各国研究的热点。电机及其驱动控制系统是电动汽车的核 心技术之一，其运行和控制性能直接关系到车辆的动力特性。本文重点研究电 机驱动控制系统的信号处理问题，包括信号处理的准确性与实时性。 论文首先通过对应用于电动汽车的电驱动性能的详细比较，指出从提高系 统效率和功率密度的角度考虑，无刷直流电机更适合应用于电动汽车电驱动系 统。同时，对于无刷直流电机控制系统的各个组成部分分别做了相应的分析， 特别是对于功率模块最大电流容量、最大电流与工作频率的关系、关断浪涌电 压以及安全工作区等方面作了详细探讨，总结出功率模块的损坏机理和相应的 保护措施。 用于电动汽车电机驱动控制系统的信号主要有直流母线电压信号、直流母 线电流信号、电机相电流信号、电机转子位置信号以及电机温度和电机驱动器 温度信号等，本文对上述各种信号的处理电路分别作了深入分析，并设计出实 用的电路；从确保系统工作的可靠性的角度，对于电驱动系统的集中保护电路 和故障信号的锁存方式作了相应的比较分析。并应用o r c a d p s p i c e 的仿真软件 对应用于电动汽车电机驱动控制系统的信号处理电路功能分别作了仿真分析以 及电路的参数选择作了优化设计；实验结果与仿真结果比较表明了该信号处理 电路设计和参数选择方法的合理性。 从进一步提高滤波器对高频信号的衰减性能，确保有效信号的真实性的角 度，论文以电流调理电路中所需要的低通滤波器为例，运用o r c a d p s p i e e 仿真 软件的蒙特卡罗分析和最坏情况分析两种方法来分析电路中的元器件参数数值 变化对各种高阶滤波器电路性能的影响。 关键词：电机驱动控制系统、信号处理、滤波器、i g b t 、o r c a d p s p i c e 、 电动汽车 a b s t r a c t _ 一 a b s t r a c t w i t hg l o b a le n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o na g g r a v a t i n g ，g r e e ne v h a s b e c o m er e s e a r c h1 1 0 to fa l ln a t i o n s m o t o ra n di t sd r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mi so n eo f t h ec o r et e c h n o l o g i e so fe v i t sr u na n dc o n t r o lp e r f o r m a n c ei n f l u e n c ev e h i c l e ，s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cd i r e c t l y t h i sp a p e rs t u d i e ss i g n a lp r o c e s s i n go fm o t o rd r i v e a n dc o n t r o ls y s t e mo ne m p h a s i s ，a n ds t u d i e sa c c u r a c ya n dr e a l t i m ei ns i g n a l p r o c e s s i n g f i r s t ，t h r o u g hc o m p a r i n ge l e c t r i cd r i v ep e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e rp o i n t so u t b r u s h l e s sd cm o t o ri sm o r ep r o p e rt ob eu s e di ne v se l e c t r i cd r i v e s y s t e mf r o mt h e v i e wo fi m p r o v i n ge f f i c i e n c ya n dp o w e r d e n s i t y m o r e o v e r , t h i sp a p e rh a sa n a l y z e d e v e r yc o m p o n e n to fb r u s h l e s sd cm o t o r , a n de s p e c i a l l yd i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e np o w e rm o d u l e s s u p r e m ec u r r e n tc a p a c i t y 、s u p r e m ec u r r e n ta n dw o r k f r e q u e n c y ，t u r n - o 行s u r g ev o l t a g ea n ds o a ，a n ds u mu pt h er e a s o nt h ep o w e r m o d u l eb e i n gs p o i l e da n di t sp r o t e c t i o nm e t h o d s s i g n a l su s e di ne v sm o t o rd r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mi n c l u d ed cb u sv o l t a g e s i g n a l 、d cb u sc u r r e n ts i g n a l ，m o t o rp h a s ec u r r e n ts i g n a l ，m o t o rr o t o rp o s i t i o ns i g n a l ， m o t o rt e m p e r a t u r es i g n a la n dm o t o ri n v e r t e rt e m p e r a t u r es i g n a l t h i sp a p e ra n a l y z e s a l lt h e s es i g n a l sd e e p l ya n dd e s i g n e du t i l i t a r i a nc i r c u i t s ；a n dc o m p a r e dl o c k i n gm o d e o fe r r o rs i g n a li np r o t e c t i o nc k c u i to fe l e c t r i cd r i v es y s t e m a n ds i m u l a t e s s i g n a l p r o c e s s i n gc b c m t sa p p l i e di nm o t o rd r i v ea n dc o n t r o ls y s t e ma n do p t i m i z e s p a r a m e t e r si nt h e s ec i r c u i t s f i n a l l y , t h r o u 曲c o m p a r i n ge x p e r i m e n tr e s u l t sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ed r a wac o n c l u s i o nt h a td e s i g n i n gc i r c u i t sa n di t sp a r a m e t e r sa r e r e a s o n a b l e i no r d e rt oi m p r o v ef i l t e r sw a n ep e r f o r m a n c ea n di n s u r es i g n a l s v e r a c i t y , t h i s p a p e ra l s oa n a l y z e sh i g h - o r d e rl o wp a s sf i l t e r s p e r f o r m a n c eu s e di nc u r r e n t p r o c e s s i n gc i r c u i t , a n da n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fe l e m e n t sv a l u e sv a r i a t i o ni nt h e c i r c u i tt of i l t e r s p e r f o r m a n c eb ym o n t e - c a r l oa n a l y s i sa n dw o r s t - c a s e a n a l y s i s a b s t r a c t k e yw o r d s ：m o t o rd r i v ea n dc o n t r o ls y s t e m ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，f i l t e r , i g b t , o r c a d p s p i c e ，e v i h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名文丧昂 砂吖年弓月二( e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月 e 1 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 妣童星浅商 j 年弓月鼍日 第1 章概述 第1 章概述 自1 8 8 6 年发明汽车以来，汽车就成为人们日常生活中不可缺少的代步和运 输工具，而汽车产业也已成为国民经济的支柱产业。但是，由于汽车要消耗大 量的石油资源、排放大量的废气、制造噪音和严重污染环境，因此也带来了无 法回避的负面影响。这些负面影响正逐步动摇燃油发动机在现代汽车动力系统 中占据的统治地位。目前，世界各大汽车公司都在争相研制各种新型的无污染 环保车，力图使自己生产的汽车达到或接近“零污染”标准。而电动汽车( 包括纯 电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车) 以电能为能源，通过电动机将 电能转化为机械能，克服了燃油发动机的缺点，具有良好的环保、节能特性， 因此有十分广阔的应用前景。电动汽车各项技术的研究与开发，在世界各国得 到了高度的重视。车用逆变器技术作为电动汽车的核心技术之一，在近些年得 到了飞速的发展。 1 1国内外电动汽车的发展状况 在国外的一些发达国家，如美国、日本和欧洲等国，电动汽车已开始进入 实用化阶段。电动汽车由于高新技术发展的推动和政府对汽车排放越来越苛刻 的要求，各大汽车公司投入了大量的人力、物力和财力用于电动汽车开发，不 断推出自己的新产品。美国三大汽车公司在1 9 9 1 年签订协议，合作研究电动汽 车用先进电池及相关技术。福特公司研制了以氢为燃料的电池轿车，它采用了“质 子交换膜”燃料电池；通用汽车公司1 9 9 0 年在洛杉矶展出“冲击”牌电动轿车， 1 9 9 4 年生产5 0 辆。该公司还在欧洲分公司建立了一个全球代用燃料推进中心 ( 6 a p c ) ，从事汽车燃料电池技术的开发和研究；戴姆勒克莱斯勒汽车公司成功 利用燃料电池技术，制成首辆可驾驶的零污染环保汽车。该车在充足电后可连 续行驶4 5 0 k m ，最高时速可达1 4 5 k i n 。 早在2 0 世纪6 0 年代，国内就开始了电动汽车的研究，但当时的研究开发 都是零散和小规模的。我国自1 9 8 0 年开始掀起电动汽车的研究高潮，电动汽车 被国家列为“八五”、“九五”科技攻关项目。国内一些大学、科研院所和生产企业 第1 章概述 相继开始研究电动汽车，取得的成果有：清华大学研制的1 6 座电动中巴车，东 风汽车公司研制的电动轿车，郑州市电动车辆研究所研制的电动轿车，天津汽 车研究所试制了微型厢式电动汽车，华南理工大学研制的轻型电动客车，远望 集团公司研制的电动大客车，长江动力公司研制的电动双层大客车等等。科技 部在“十五”国家8 6 3 计划，特别设立电动汽车重大专项，组织企业、高等院校和 科研机构，以官、产、学、研四位一体的方式，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，促进电动汽车关键技术的研究和产业 化。 电动汽车之所以得到如此重视和飞速发展，是因为具有以下特点：( 1 ) 污 染低。电动汽车由电力驱动，在行驶中不排放有害气体，即使电动汽车所消耗 的电力由使用石油燃料的火力发电厂提供，火力发电厂的大气污染物主要是 n o x ，根据电动汽车所消耗电力折算出以火力发电来估计n o x 的排放量，也不 到同类型汽油车的1 0 。( 2 ) 可使用多种能源。由于电动汽车使用二次电力能 源，不受石油资源的限制，可利用核能、水力、太阳能等，从而可节省日益枯 竭的石油资源。( 3 ) 效率高。电动汽车在制动时能回收能量，8 0 以上的电池 能量可由电动机转为汽车的动力，效率比内燃机高。( 4 ) 噪声低。发动机性能 是影响汽车的噪声、振动大小的重要因素，传统汽车和电动汽车相比，由动力 部分引起的噪声和振动，要远远高于电动汽车。( 5 ) 更有利于智能化。电动汽 车系统中更利于采用先进的电子信息技术，提高汽车智能化程度。 1 2 电动汽车电机驱动控制系统 1 2 1电动汽车对电机驱动控制系统的要求 电动汽车的电机驱动控制系统是电动汽车的心脏，它主要由两大部分组成： 牵引电机和电机驱动器，其中牵引电机又是电机驱动控制系统的核心，电机的 性能、效率直接影响电动汽车的性能，此外，电机的尺寸、重量也影响到汽车 的整体效率。电力电子和控制技术对电动汽车的安全可靠运行也有很大关系。 电动汽车对电机驱动控制系统主要有如下要求： 2 第1 章概述 ( 1 ) 有足够大的起动转矩，以满足电动汽车快速起动、加速、爬坡、频繁起 停的要求，通常电机的过载系数应达3 - 4 。 ( 2 ) 电机的调速范围大，一般在2 5 1 0 0 最大转速范围内，近似有小转矩、 恒功率的输出特性，满足电动汽车最高车速和公路巡航行驶工况的要求。 ( 3 ) 1 ：1 5 功率大，以最大功率计时，一般应达( 1 1 2 5 ) k w k g 。 ( 4 ) 具有良好的效率特性，在较宽的转速转矩范围内，获得最优的效率，提 高一次充电后的持续行驶里程，一般要求在典型的驾驶循环区，获褥8 5 0 0 9 3 的效率。 ( 5 ) 再生制动时的能量回收率高。 ( 6 ) 快速的转矩响应特性，在各种车速范围内快速而柔和地控制驱动和制动 转矩；在多电机系统中，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好。 ( 7 ) 具有良好的环境适应性，在不同的工作条件下能可靠地工作。 ( 8 ) 单位功率系统成本低，目前电机驱动控制系统的成本约为$ 1 0 k w ，其目 标要达到$ 4 k w 。 ( 9 ) 维护简单，工作噪声低。 1 2 2电动汽车电机驱动控制系统的类型 电动机与驱动系统是电动汽车的关键部件，要使电动汽车有良好的使用性 能，驱动电机应具有调速范围宽、转速高、起动转矩大、体积小、质量小、效 率高且有动态制动强和能量回馈等特性。目前，电动汽车用电动机主要有直流 电动机( d c m ) 、感应电动机( i m ) 、永磁无刷电动机( p m b l m ) 和开关磁阻 电动机( s 蹦) 四类。 ( 1 ) 直流电动机及其控制系统：在过去的几十年里，由于直流电机易于控 制，所以，电动汽车普遍采用直流变速驱动。在直流电动机系统中，只要改变 其输入电压或励磁电流就可独立控制其转矩，实现平滑调速。直流电动机调速 系统具有良好的动态特性和调速品质，采用斩波控制器的控制方式，控制技术 简单、成熟、成本低，但也有效率低、体积大、比功率低等缺点。另外，由于 存在电刷和机械换向器，电机的最高转速和承载能力的进一步提高受到限制， 同时电机损耗主要在转子上，使得电机散热困难；电刷在工作中产生的电磁辐 第1 章概述 射干扰，对车辆的电子控制系统也产生一定的影响，因而在现代高性能电动汽 车上的应用正逐渐减少。 ( 2 ) 感应电动机及其控制系统：感应电机也是较早用于电动汽车驱动的一 种电机。与直流电机相比，具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可 靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点。它的调速控 制技术比较成熟，其控制技术主要有v f 控制、转差频率控制、矢量控制和直 接转矩控制( d t c ) 。矢量控制又有最大效率控制和无速度传感器矢量控制， 前者是使励磁电流随着电动机参数和负载条件的变化，使电动机的损耗最小、 效率最大；后者是利用电动机电压、电流和电动机参数来估算出速度，从而达 到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。直接转矩控制克服了矢量控制中 解耦的思想，把转子磁通定向变换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值 以及该矢量相对于转子磁链的夹角，从而达到控制转矩的目的。由于直接转矩 控制手段直接、控制性能优良和动态响应迅速，非常适合电动汽车的控制。同 时，感应电机主要存在着耗电量大，转子易发热，在高速运转时需要保证对感 应电机的冷却，否则会损坏电动机。感应电机功率因数低，使得变频变压装置 的输入功率因数也较低，因此需要采用大容量的变频变压装置。感应电机的控 制系统的造价远远高于感应电机本身，增加了电动汽车的成本。 ( 3 ) 开关磁阻电动机及其控制系统：开关磁阻电机是一种由磁阻电机和电 子开关驱动控制电路组成的种新型调速电机，电机兼有直流调速和交流调速 的优点，结构简单、体积小、坚固、成本低、可靠性高、起动性好，适合于频 繁正反转及冲击负载等工况条件；但由于它低速输出转矩波动大，工作噪声高， 而且由于开关磁阻电机具有高度的非线性特性，故其驱动系统较为复杂。它的 控制系统包括功率变换器、控制器和位置检测器等，控制器价格高等，限制了 其在电动汽车上的应用。 ( 4 ) 永磁无刷电动机及其控制系统：永磁无刷电动机驱动系统是现代控制、 计算机、电力电子以及新材料技术的结晶。近年来，随着新的永磁材料的不断 应用，永磁无刷电动机在电动汽车系统中的应用日益广泛。由于永磁无刷电动 机的励磁靠永磁体产生，可以形成很强的气隙磁场，所以该类电动机驱动系统 具有较小的体积和重量，较高功率密度和效率，这正是电动汽车驱动系统所希 望的。 4 第1 章概述 表1 1 现代电动汽车用电动机基本性能比较 项目直流电动机感应电动机永磁无刷电动机开关磁阻电动机 功率密度低中高较高 峰值效率 8 5 8 99 0 9 59597 1 2 0 。时，a 相关断，相带a 和a 分别超出n 极区和s 极区，e 。随之减小。 因相带宽度为6 0 。，因此当，t = 1 5 0 。时，e 。应降为零。过零后，随着转子旋转， p 。改变方向。当国，t = 1 8 0 。时，相带a 和a ，则全部置于s 极和n 极磁场下，于 是e 。达到反向最大值一e 。，并在1 2 0 。的区间内保持不变。转子继续旋转6 0 。电角 度后，e 。又达到正向最大值e 。如此，p 。在0 。到3 6 0 。的区间内构成了完整的梯 形波，梯形波平定宽为1 2 0 。，由此，容易知道e b 和e c 也具有同样的波形，并且 三者互差1 2 0 。，如图2 3 ( b ) 所示。 b b 、1 豇， 1 6 0 0 1 2 0 0 1 8 0 0 2 4 0 0 、 a 、 b ) a ) 永磁磁场 ” 电流与感应电动势 图2 3 转子位置与电流换相关系 j 彩，f 翻，f 综上所述，可以得出无刷直流电机的电流和感应电动势具有以下特点： ( 1 ) 感应电动势为三相对称的梯形波，其波顶宽为1 2 0 。； ( 2 ) 电流为三相对称的1 2 0 。方波； ( 3 ) 梯形波反电势与方波电流在相位上严格同步。 由图2 3 可以看出，在任何时刻，定子上只有两相同时导通，于是电磁功 率为： 1 3 第2 章 电动汽车电机驱动控制系统分析 t = e a i a + e s i 8 + e c i c = 2 e s i | 电磁转矩为： 疋= 每= 每l 可以得出反电势的幅值e 为： e s = n b g l r q r 式中，q ，为转子机械角速度( r a d s ) ， 长度( m ) ，b g 为气隙磁通密度( w b m 2 ) ， 于是电磁功率为： = 2 n b g i ，l r f 2 ， 电磁转矩为： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ，为转子半径( m ) ，为转子铁芯 为导体数量。 ( 2 4 ) z = 2 n b j , l r = k s 曰。，。 ( 2 5 ) 式中，k 。= 2 加为常数。n 1 1 式( 2 5 ) 与他励直流电机的电磁转矩公式相似。事实上，对于无刷直流 电机来说，如果忽略电枢反应，那么气隙磁通主要决定于永磁体，召。可以认为 是恒定的，于是电磁转矩正比于定子电流，这和他励直流电动机励磁恒定是转 矩正比于电枢电流是一样的。只要控制定子电流，就可以控制电机的输出转矩。 采用1 2 0 。两两导通方式，每隔1 6 周期换相一次，每次换相时，一个导通的 功率管被关断，而另一个原来关断的功率管被开通，即桥臂之间进行轮流切换。 这样以来，每个功率管的导通时间均为1 2 0 。电角度，功率管的开关状态取决于 位置传感器提供的h a l l 信号，具体的对应关系如图2 4 所示。 h l 卜 瓦瓦瓦瓦瓦瓦互瓦瓦瓦 瓦瓦瓦瓦 图2 4 正转时h a l l 状态与换相的对应关系 1 4 吐，r 吐f 婢f 第2 章电动汽车电机驱动控制系统分析 i 。五瓦瓦五瓦瓦l 瓦乃瓦兀正五瓦 图2 5反转时h a l l 状态与换相的对应关系 假设牵引运行时图2 4 所示的电机转向为正转，由此可以得出正转时h a l l 状态与开通功率管的对应表如下： 表2 1 正转时h a l l 状态与开通功率管的对应关系 h a l l 状态1 1 0l o ol o l o o l0 110 1 0 导通功率管 瓦瓦瓦瓦瓦正互疋疋五瓦瓦 由图2 4 可以看出，当h a l l 状态为1 1 0 时，功率管瓦、瓦导通，如果电 机转向为正转，这时a 相和c 相的反电势e 和e c 分别为： ，n e a2 一左s 、e c2 丘j 根据感应电势与b l v 的关系，不难理解如果此时( 即h a l l 状态处于1 1 0 时) 电机处于相同转速但转向相反的状态，即电机的转速为一q ，时，容易得出： e 矗= e s 、e c2 一e i 此时如果使a 相的上桥臂互和c 相的下桥臂互导通，则电机会产生反向力 矩，同理如果我们使每个h a l l 状态下所导通的功率管都与正转时互补，则会 产生持续的反向力矩。这样一来，可以得出反转时的h a l l 状态与导通功率管 的对应关系如表2 2 ： 需要指出的是，电机反转时( 无论是反向驱动还是反正制动) ，其h a l l 顺 序与正转时的h a l l 顺序是相反的，图2 4 与图2 5 分别给出了两种转向时的 h a l l 顺序。在无弱磁控制时，这种反向关系对控制不产生影响。而在弱磁时由 第2 章电动汽车电机驱动控制系统分析 于要提前换相，既要考虑下一区间的h a l l 状态，因此弱磁时要首先对h a l l 顺序进行判断。 表2 2 反转时h a l l 状态与开通功率管的对应关系 h a l l 状态 1 1 00 l oo l l0 0 11 0 l 1 0 0 导通功率管 互正瓦正瓦瓦瓦瓦瓦五疋五 2 2 三相逆变器的主电路分析 图2 6p w m 逆变器的主电路结构 根据牵引逆变器的供电特点，考虑到新型电力电子器件的发展现状，三相 逆变器采用二电平硬开关三相逆变电路，以i g b t 模块作为功率元件，三相逆变 器的主电路结构如图2 6 所示。三相逆变器的主电路包括软起动电路、滤波电 路、三相逆变电路和吸收电路四部分。软起动电路用于对滤波电容进行预充电； 滤波电路用于对直流输入电压进行稳压与滤波：三相逆变电路用于将输入直流 电逆变为幅值与频率可调的三相交流电；吸收电路用于吸收功率模块开关过程 中出现的电压尖峰。这种电路结构具有控制方式相对简单、结构紧凑、可靠性 高的特点。图中k 圪表示六个开关管，d l 见六个开关管对应的续流二极管， 每两个开关管和两个二极管组成一个功率桥臂；e ，c j 。表示每个功率桥臂对应 1 6 第2 章电动汽车电机驱动控制系统分析 的吸收电路；巳表示直流端滤波电容；a 、b 、c 表示三相输出端，直接与电机 定子三相端连接。 2 2 1三相逆变器功率模块性能分析 本论文对三相逆变器功率模块的性能分析以西门康s k m 4 0 0 g b l 2 4 di g b t 功率模块为例。 ( 1 ) i g b t 的电流容量 通态电流如与最大峰值可允许电流，c 隅：i g b t 通态电流疋受直流跨导 g 村、允许功耗只以及壳温疋的影响。如图2 7 所示西门康s k m 4 0 0 g b l 2 4 d i g b t 功率模块的通态电流与输入栅极电压的关系( 测试条件为：脉冲宽度 乙= 8 0 , u s ，壳温砭= 2 5 。c ，栅极电压= 2 0 v ) ，图中曲线的斜率表示栅极电 压对输出电流的控制能力，用直流跨导g 。表示： 厶= 瓯( 一巧) ( 2 _ 6 ) 式中：珞为正向导通二极管的压降，一般取巧= 0 7v 。i g b t 直流跨导g 。 在很大电流范围内呈上升趋势，因而不作为i g b t 通态电流，c 的约束因素。i c 与 直流允许功耗尼、壳温疋的关系可表示为： 厶 0 ， 那么，满足条件： r t = xj x i o - t i x _ x i u + t i ，i _ 1 ，2 ，n ) 的器件参数矢量就构成了器件参数空间的容差域，最坏情况分析就是在器 件参数满足x r t 的条件下，求电路性能偏差其标称值的最大量。例 5 4 2 滤波器的容差分析 理论设计的滤波器与实际制作出来的滤波器也存在着差别，而这种差别是 否会影响滤波器的实际性能，则可通过上述的蒙特卡罗分析和最坏情况分析进 行仿真。本节以八阶巴特沃思滤波器为例，对上节中的滤波器进行容差分析， 比较它们的优劣。 蒙特卡罗分析步骤如下： ( 1 ) 其值随机变化的元器件采用b r e a k o u t 库中的符号。图3 - 1 4 中的所有 r 换为r b r e a k 符号，所有c 换为c b r e a k 符号，其值保持不变，将它们的元器件 符编号改为r m o d 和c m o d ； ( 2 ) 设置电阻和电容的模型参数变化，可用如下语句： m o d e lr m o dr e s ( i p ld e v = i ) 第5 章高阶低通滤波器分析研究 m o d e lc m o dc a p ( c = 1d e v = 5 ) ( 3 ) 设置m c 分析参数。选择“m o n t ec a r l o ”项，输出变量名为v ( o u t ) ，将 参数变化规律设为“g a u s s ”，并设置分析结果统计方式。 ( 4 ) 进行m c 分析和结果显示( 如图5 1 0 示) 。【2 3 】 图5 1 08 阶b u t t e r w o r t h 滤波器截止频率宜方图 从直方图中可知，该滤波器在进行的1 0 0 次随机分析中，截止频率在 4 6 5 3 3 3 h z 到5 1 8 3 0 1 h z 之间，平均值为4 8 6 4 3 2 h z ，9 0 样本截止频率大于 4 7 0 2 3 8 h z 。因此，此滤波器截止频率在选用精度等级为1 的电阻和5 的电 容器时，基本能达到截止频率的要求。同样的分析方法亦可用于其他滤波器。 最坏情况分析步骤与蒙特卡罗分析一致，对8 阶巴特沃思滤波器进行最坏 情况分析，其结果如图5 1 1 示。同时，我们还可以在输出文件中看到取到最坏 情况时，r 、c 的取值情况。 ： 3 畸步e ，4 1 5 6 5 】；i _ j 一 2 2 ， 7 。 ；j 卅 ? ；一“鼍一4 二夕i f 5警：j9 5 li 日 ； 。一一一一r 一一【 一一一 s ：5 哥。|：8 7 和 ， l； d ；一阻l i 声 j 甬i 话二k 26l 畏讣 一， ：，_ 一 一 疋 _ 一， ；i i i ： i i !l 玎!i l | ：ji ! 、l i ： 图5 1 l8 阶低通滤波器最坏情况分析 由图5 1 1 中，可知在最坏情况时，滤波器的截止频率基本没变，但输 第5 章高阶低通滤波器分析研究 出电压的峰值在w c 情形时增加较多。同样，我们也可以对其他滤波器进行类 似的容差分析，比较它们容差性能的优劣，这儿不再一一详述。从分析结果看， 相比较于切比雪夫和椭圆函数滤波器，巴特沃思滤波器对元器件的灵敏度比较 高。 5 5 本章小结 本章从进一步提高滤波器对高频信号的衰减性能，确保有效信号的真实性 的角度，提出了采用高阶滤波器应用于信号处理电路的设想；对几种不同的高 阶滤波器性能作了相应的比较分析。运用p s p i c e 仿真软件的蒙特卡罗分析和最 坏情况分析两种方法来分析电路中的元器件参数数值变化对各种高阶滤波器电 路性能的影响。分析结果表明，相比较于切比雪夫和椭圆函数滤波器，巴特沃 思滤波器对元器件的灵敏度较高。 6 l 全文总结 全文总结 信号处理是现代传动控制领域的一个不可缺少的部分，对电机驱动控制系 统的信号处理的研究具有很强的理论和实际意义。论文对电动汽车电机驱动控 制系统信号处理的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 对电动汽车电机驱动控制系统的几个部分组成，特别是对于三相逆变 器的开关管i g b t 功率模块的性能，如最大电流容量、最大电流与工作频率的关 系、关断浪涌电压以及安全工作区等方面作了深入探讨和分析，提出了i g b t 功 率模块损坏机理以及相应的保护措施。 ( 2 ) 对于用于电动汽车电机驱动控制系统的直流母线电压信号、直流母线 电流信号、电机相电流信号、电机转子位置信号以及电机温度和电机驱动器温 度信号的处理电路分别作了分析和设计；同时对于电驱动系统的集中保护电路 和故障信号的锁存方式作了相应的比较分析。 ( 3 ) 应用o r c a d p s p i c e 的仿真软件对应用于电动汽车电机驱动控制系统 的信号处理电路功能分别作了仿真分析以及电路的参数选择作了优化设计；实 验结果与仿真结果比较表明了该信号处理电路设计和参数选择方法的合理性。 ( 4 ) 从进一步提高滤波器对高频信号的衰减性能，确保有效信号的真实性 的角度，借助o r c a d p s p i c e 仿真软件的蒙特卡罗分析和最坏情况分析两种方法 来分析电路中的元器件参数数值变化对滤波器电路性能的影响，比较分析了各 种高阶滤波器的传输性能。 论文所研究的内容只是阶段性成果，对于信号处理系统的进一步研究可在以 下几个方面进行： ( 1 ) 对于信号处理电路性能分析仅限于对电路的功能和参数选择作相应的 分析，对于温度等因素引起的电路参数变化、元器件性能对电路的影响以及系 统电磁干扰对电路的影响等方面没有作进一步分析和比较研究。 ( 2 ) 对于高阶滤波器的研究只是从仿真分析的角度比较器性能，没有通过 实验来验证仿真分析结果。 ( 3 ) 电动汽车电机驱动控制系统是一个大功率、高频系统，对于系统的电 磁兼容和电磁干扰问题没有作进一步的讨论。 致谢 致谢 非常有幸能在同济学习，非常有幸能在同济认识那么多优秀的老师和同学 在此论文完成之际，我对他们表示深深的感谢。 我要特别感谢我的导师王晓东教授。两年多来，在学习和科研上，王老师给 予了我耐心细致的指导，使课题能够顺利完成。王老师对于工作的认真态度，对 于学术的严谨作风以及他巨大的人格魅力都深深的感染了我，鼓励着我，我想这 些将使我受益终生。 本人在硕士的学习期间，非常有幸能够得到徐国卿教授的指导和帮助，这里 对他深表谢意。 特别感谢师兄张舟云博士在论文写作过程中所给予的无私帮助。 感谢徐延东硕士、陈辉硕士、姚行德硕士在学习过程中所给予的支持。 也衷心地祝愿他们健康、幸福1 2 0 0 5 3 参考文献 参考文献 1 邵丙衡，电力电子技术，中国铁道出版社，1 9 9 7 2 林渭勋，现代电力电子电路，浙江：浙江大学出版社，2 0 0 2 7 3 韩安荣，通用变频器及其应用，北京：机械工业出版社，2 0 0 2 9 4 李序葆，电力电子器件及其应用，北京：机械工业出版社，2 0 0 0 ，8 5 张立，电力电子场控器件及其应用，北京：机械工业出版社，1 9 9 6 8 6 吴济钧，电力半导体器件及其模块的发展趋势，电源技术应用，1 9 9 8 1 7 陈国呈，p w m 变频调速技术，北京：机械工业出版社，1 9 9 8 8 e 8 李永东交流电机数字控制系统北京：机械工业出版社。1 9 9 2 4 9 张琛无刷直流电动机原理与应用北京：机械工业出版社，1 9 9 6 1 0 王成元等矢量控制交流伺服驱动电动机北京：机械工业出版社，1 9 9 5 1 1 陈俊峰永磁电机机械工业出版社1 9 8 2 1 2 贺益康交流电机调速系统计算机仿真浙江大学出版社1 9 9 3 1 3 郝晓弘邢方义，永磁无刷直流方波电机控制特性及其伺服系统控制策略，电器传动 自动化，1 9 9 9 1 4 马立华，陈伯时电流滞环跟踪控制分析上海轻工业高等专科学校学报1 9 9 7 1