（电机与电器专业论文）永磁同步电机isg系统的全数字控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 ) i sp r o v i d e dw i t h s i m p l e ra n df i r m e r s t r u c t u r e ，l o w e rc o s t ，h i g h e rf a u l tt o l e r a n t ，e n e r g yd e n s i t ya n do p e r a t i o nt e m p e r a t u r e ，h i g h e rt o r q u e d u d n gl o ws p e e de t c i th a sb e c o m ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fs t a r t e r g e n e r a t o r ( s g ) s y s t e mf o r a v i a t i o na n da u t o m o b i l e i nt h ep r o j e c t ，t h ee l e c t r o m e c h a n i c a le n e r g yt r a n s f o r m a t i o np a r ti st h e e x t e r i o r - g i b b o s ep m s m w i t hd e v e l o p m e n t so fp o w e rc o n v e r t e r sa n dm i c r o p r o c e s s o r s ，f u l l y d i g i t a li m p l e m e n t a t i o ni st h em a j o rd e v e l o p m e n tt r e n d ，a n di ti se x c e l l e n t l yf l e x i b l et oi m p l e m e n t n e wc o n t r o ls t r a t e g i e sw i t h o u ta m e l i o r a t i n gs y s t e mh a r d w a r e f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h es t r u c t u r e ，a p p l i c a t i o ni n f o r m a t i o no fi s gf o ra u t o m o b i l ea n d t h eb a s i ct h e o r yo fp m s m s e c o n d l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d ，d e v e l o p m e n ta n d f u t u r ep r o s p e c to fs e r v os y s t e m ，a n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mi sp r e s e n t e d t h i r d l y , t h i s p a p e rd i s c u s s e sf o u rc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d so fp m s m v e c t o rc o n t r o lc a r e f u l l ya n dd e s i g n si s g c o n t r o ls y s t e m i ts u g g e s t st h a tt h er o t o rf i e l do r i e n t a t i o nv e c t o rc o n t r o lo fi a2 0c a nb ec h o s e n t h e n ，t h em e t h o d so fd i g i t a lc u r r e n tc o n t r o la r ei l l u m i n a t e d ，a n ds v p w m m o d u l a t i o ni sd i s c u s s e d t h o r o u g h l y m a t h e m a t i c a lm o d e l so fp o s i t i o nl o o p ，s p e e dl o o pa n dc u r r e n tl o o po ff u l l yd i g i t a l c o n t r o ls y s t e ma r eg i v e n ，b a s e do na l la b o v em e n t i o n e d ，t h ec o n t r o lp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d m e t h o d so fi n i t i a lr o t o r p o s i t i o n d e t e c t i o nf o rp m s mu s i n gi n c r e m e n t a le n c o d e r 0 1 h 一3 5 2 5 0 0a r ed i s c u s s e d t h ei m p l e m e n t a t i o no fm tv e l o c i t yd e t e c t i o nb a s e do nd s pi sc i t e d ， a n dan e wm e t h o do fv e l o c i t yd e t e c t i o ni si n t r o d u c e dt oi m p r o v et h ed e t e c t i o na c c u r a c y t h ep o w e r d r i v e rs y s t e mb a s e do ni p ma n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i ta p p l y i n gt op m s mh a v eb e e nd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h es t r a t e g y t h es o f t w a r es y s t e mb a s e d o nt h em a i nc h i pt m s 3 2 0 f 2 812o ft i c o m p a n yf o rp m s mh a sb e e nd e s i g n e d ， i nt h i sp a p e r o w n i n gt h er a t e do u t p u tp o w e ra n dt o r q u eo fm o t o ra r ea l ls m a l l e rc o m p a r a b l y , w ed os o m er e l e v a n te x p e r i m e n t s r e c o r dt h ec u r r e n tw a v e f o r ma n dp o s i t i o ni nc o n d i t i o no f n o - l o a di nt h i st h e s i sh a st e s t e dt h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，h i g ha c c u r a c y k e y w o r d s ：i s g ，d i g i t a lc o n t r o l ，p m s m ，v e c t o rc o n t r o l ，s v p w m ，d s p 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， 同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 本学位论文属于 不保密m 。 学位论文作者签名： 乃么乙破 导师签名： 签字日期：衅钿妇签字日期：却乒多月媚 ， 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 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：功乃乙硬 日期m 叶年( 月厂y 日 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 交通能源与环境保护是本世纪全球面临的重大挑战，特别是我们正在面临的 全球性的金融危机，再一次提醒我们能源的重要地位。汽车产业面临重大冲击， 能源动力体系转型势在必行，电动汽车已成为汽车能源动力转型的必然选择。目 前，电动汽车研究方向主要包括混合动力汽车、燃料电池汽车、纯电动汽车三个 方面。国际上对哪种技术才是汽车产业的发展方向存在很多争议。就目前现状来 看，混合动力汽车凭借其较为成熟的技术，结合我国汽车工业的技术状况，发展混 合动力汽车较为适宜。混合动力汽车是采用传统的内燃机和电动机作为动力源， 通过混合使用人力和电力两套装置开动汽车达到节省燃料和降低排放污染的目 的，实用的内燃机既有柴油机又有汽油机，但是共同的特点是排量小、质量轻、速 度快、排放好。电动系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。混合动力 汽车按照能量的合成主要分为串联式和并联式两种。混合动力汽车的关键是混合 动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十几年的发展，混 合动力系统已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构 发展，即集成化混合动力总成系统。而起动发电一体化系统( i n t e g r a t e ds t a r t e d g e n e r a t o r ，简称i s g ) 是其中的重要部分【l j 【2 1 。 研究i s g 系统的全数字控制有着非常重要的意义：第一，采用速度快，功 能强大的d s p 控制芯片，降低了控制系统的硬件成本，也减轻了系统的重量；第 二，电力起动系统消除了传动装置受环境影响较大的缺点；第三，控制器与功率 变换器的配合，采用数字化控制可方便的实现起动发电不同的控制要求，操作控 制起来十分便捷优化。 1 2i s g 系统简介 起动发电双功能系统起初足为了适应飞机、汽车等的电源系统的发展要求 而设计产生的，发动机在投入运行之前，需要起动机来起动，实现起动的方法有 很多种，如液压起动、电起动等。起动机在起动后就不再起作用，一直以来人们 江苏大学硕士学位论文 都在寻找一种更高效、更简洁的起动方案1 3 l 。 起动发电系统的基本思路就是让电源系统中的发电机兼作起动电机用。利 用电机的可逆原理，在发动机起动时，电机作为电动机运行，其负载为发动机， 电机将电能转换为机械能，带动发动机，当转速达到某一定值后喷油点火，使发 动机进入自行工作状态，这一过程称之为起动过程。起动结束后，发动机转为原 动机，拖动电机，此时电机也相应转为发电机运行，将机械能转换为电能输出， 通过整流和调节，得到直流电，向蓄电池充电或供给机载、车载用电设备。 起动发电机是起动发电系统中能量转换的核心部件，其功能直接影响系统 的性能及指标。起动发电机既有一般电机的共性，也有它特殊的地方。首先， 电机直接带负载起动，需要很大的起动转矩，电机起动后，到发动机点火的短暂 时间内( 1 0 秒以内) ，仍然要维持一定的负载转速和转矩；其次，当转为发动机运 行时，发出来的交流电要经过整流装置变成直流电来输出。这些都是起动发电 机与一般电机的不同之处，在本体设计的时候应该予以重点考虑。从电机本身的 角度来看，可以作为起动发电系统的电机有很多种，例如有刷直流电机、开关磁 阻电机、电励磁同步电机、永磁同步电机、无刷直流电机等，但各有不同的机械 性能，在本文中采用永磁同步电机作为能量转换的核心部件。 1 3i s g 系统国内外发展状况 1 3 1 国外发展现状 上世纪：；0 年代，德国人最早开始尝试结合起动电机和发电机。9 0 年代术，宝 马公司与德国科隆公司共同研制下i s g 系统的进展有所突破，主要是运用了现代 电子技术成功协调了两种电机结合在一起所带米的低速启动发动机与高速发电 的矛盾，并直接装置在轿车发动机上。汽车i s a d 技术的诞k 赢得1 9 9 7 年度德国 工业创新奖。博世、两门子、萨克斯和德尔福、法雷奥等公司也开发出这种系统， 其中，博世公司选用的就是永磁同步电机，1 4v 平h 4 2v 混合电源系统，也采用曲 轴直接传动方式，工作效率在8 以上；萨克斯选用永磁同步电机，定子和定子 支架直接安装在发动机曲轴凸缘上，转子则阎定在飞轮上，发电效率高达8 0 - - 9 0 ；法雷奥开发的i s g 选用4 2 v 电源系统，采用皮带连接的问接传动方式，与 传统车相比，可节省2 0 的燃料，在3 0 的停顿过程中实现“零”排放。2 0 世纪 江苏大学硕士学位论文 9 0 年代初，日本开始了大规模电动汽车开发，并且在2 0 世纪9 0 年代末将混合电动汽 车商业化，i s g 技术因而得到发展并应用到混合电动汽车上。1 9 9 7 年，t o y o t a 推出的 应用t i s g 技术的r h si ( t o y o t a h y b r i ds y s t e mi ) p r i u s ，开始在日本批量销售；随后， t o y o t a 又推出了t h si i “0 3 p r i u s 、“r x 4 0 0 s u v 。t o y o t a 的i s g 系统采用永磁电机， 电机转子采用钕磁体材料，直流母线电压达6 5 0 v 。由于采用了高压技术，输出功率 和效率大大提高了。 1 9 9 9 年，本田推出了应用了i s g 技术的i n s i g h t 第一代混合电动汽车。该i s g 系统采用矩形波永磁电机，电源系统采用1 4 4 v 的蓄电池组，电机与发动机曲轴 直接连接，可产生与发动机相位相反的转矩，降低振动，使运转更平稳。i s g 技 术同样也应用到了本田的第2 代a c c o r d 、第3 代2 0 0 5 款c i v i c 和第4 代2 0 0 6 款 c i v i c 混合电动汽车上。在2 0 0 6 款混合电动车上，电动机使用了一种最新的扁线 圈缠绕构造，这使得电动机最大功率和最大转矩与2 0 0 5 款c i v i c 相比分别增加 了5 0 和1 4 ，转换效率由原来的9 4 6 提高到9 6 1 4 1 【5 】。 1 3 2 国内发展现状 近些年来，我国也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，并取得了一定 的成就，一些单位的起步研究工作正在展开，国家科技部己将其作为“十五”8 6 3 重大专项的内容。清华大学研制了电动中型客车；中国远望总公司与北京理工大 学、国防科技大学和河北胜利客车厂等单位联合，于1 9 9 6 年3 月研制成功了5 l 座y w 6 1 2 0 型电动大客车。中科院电工所、西北工业大学、南京航空航天大学 及长安、东风、奇瑞等公司也都在研究i s g 技术，已有部分混合动力电动汽车样 车应用了i s g 技术，如东风e q 7 2 0 0 h e v 、奇瑞a 5 和长安羚羊混合型( i s g ) 等。 在此基础上，我幽混合动力汽车的研制也有了一定的进展。1 9 9 8 年清华大学与 厦门会龙公司合作研制了混合动力客车；同年，江苏理工大学( 现江苏人学) 承 担了江苏省科委下达的重点工业科技攻关项目z j k6 7 0 0 h e v 串联式混合 动力公交轻型客车的研制，目前样车的研制工作已结束。2 0 0 4 年年底，上汽集团 汽车工程研究院同一k 海交通大学、中科院一k 海微系统所等单位合作，完成了上海 市科委、- j i 汽集团“中新动1 号”混合动力城市公交车概念样车丌发。由卜海交通 大学和上海华普汽车有限公司合作丌发的“海威( h e v e n ) ”混合动力轿车，目前已研 制了两辆样车，并在2 0 0 5 年1 1 月的 ：海：【业博览会上展出。新一轮的j i ：发于2 0 0 6 江苏大学硕士学位论文 年开始；将试制串联、并联等多种混合方式的混合动力公交车1 4 】【5 1 。 1 4 永磁同步电动机 1 4 1 永磁同步电动机的分类 按磁通分布的不同，永磁同步电机分为正弦波电流驱动的永磁同步电机 ( p m s m ) 和方波电流驱动永磁同步电机( b l d c m ) 。两者有很多相似之处：转子皆 有磁钢，定子通以对称交流电才能产生转矩；它们之间最大的区别是：正弦波电 流驱动的永磁同步电 j l ( p m s m ) 具有正弦波的反电动势波形，而方波电流驱动永 磁同步电机( b l d c m ) 具有梯形波的反电动势波形。因此，两种电动机在结构形 式上也有区别，p m s m 的转子磁钢形状呈抛物线形，在气隙中产生的磁通密度尽 量呈正弦形分布，定子电枢绕组采用短距式分布绕组，能最大限度地消除谐波磁 动势；而b l d c m 的转子磁铡的形状呈弧形( 瓦形) ，磁极下定转子气隙均匀，气 隙磁通密度呈梯形分布，定子电枢绕组多采用整距集中式绕组。p m s m 与 b l d c m 相比，二者各有优缺点f 6 l ： ( 1 ) 在同样体积的条件下，b l d c m 比p m s m 出力要大1 5 ，材料利用率高； ( 2 ) p m s m 通常采用矢量控制，必须使用高分辨率的转子位置传感器，控制算 法复杂，控制器成本高，而b l d c m 控制方法和控制器结构简单，转子位置传感 器结构简单、成奉低，只需要分辨率较低的三个电流换相位置信号； ( 3 ) p m s m 电流连续，铁心中附加损耗较小，而b l d c m 定子磁场非连续旋 转，造成铁心附加损耗增加； ( 4 ) p m s m 适合于矢量控制，输出转矩脉动小，b l d c m 不可能完全消除转矩 脉动。正是基于p m s m 的上述优点，所以由它组成的传动系统已受到国内外的普 遍重视，应用广泛【1 1 。 1 4 2 永磁同步电动机的结构与特点 讵弦波永磁同步电机从转子结构上分主要有以下俩种川： ( 1 ) 表面安装永磁式s p m ( s u r t i l c ep e r m a n e n tm a g n e t ) ：将磁钢装在转子表面， 磁钢为扇型结构，如图1 1 所示。 ( 2 ) 内埋永磁了i p m ( i n t e r i o rp e r m a n e n tm a g n e t ) ：将磁钢嵌在转子内部，磁钢 为矩形结构，如图1 2 所示。 4 江苏大学硕士学位论文 氏 怠 图1 - 1s p m 结构图图1 2i p m 结构图 表贴式永磁同步电机定子与转子之间的磁路分布均匀，基本上与转子位置无 关。内埋式转子具有明显的磁极，定子与转子之间磁路是不均匀的，与转子的位 置有关。表贴式永磁同步电机结构较简单，但机械强度较低，一般用于低速场合。 内埋式永磁同步电机制造工艺较为复杂，但机械强度高，一般用于高速场合。s p m 电动机，气隙磁通密度较低，齿槽效应小，凸极效应弱，矢量控制容易，被绝大 部分伺服系统采用；i p m 电动机，气隙磁通密度较高，齿槽效应大，凸极效应显 著，矢量控制较s p m 困难。 本文以三相正弦波驱动表贴式永磁同步电机作为控制对象。虽然不同的永磁 同步电机转子结构差异很大，但由于永磁材料的使用，使得水磁同步电动机有如 下的特点： ( 1 ) 电机电磁转矩纹波系数小，运行平稳，动态响应快，过载能力强。永磁同 步电动机的瞬间最大转矩可以达到额定转矩的三倍以上，使得永磁同步电机非常 适合在负载转矩变化较大的工作情况下运行【6 1 。 ( 2 ) 高功率因数、高效率。转子采用永磁体，无需励磁电流，提高了效率，而 且同步电机的功率因数可以调节，甚至可以达n 1 。 ( 3 ) 体秘小、重量轻。近些年随着高性能永磁材料的不断发展和应用，永磁同 步电动机的功率密度得到很大提高，比起同容量的异步电动机米，体积和重量都 有较大的减少，使其适合应用在许多特殊的场合。 ( 4 ) 结构多样化，应用范闱广。由于永磁同步电动机转子结构的多样化，衍生 出许多特点和性能各异的品种，从工业到农业，从民用到国防，从同常生活到航 空航天，从简单电动工具到高科技产品，几乎无所不在。 ( 5 ) 可靠性高。与直流电动机和电励磁同步电动机相比，没有电刷，结构简单， 系统的可靠性高。 对于i s g 系统米说，输出同样功率的电机体积应尽可能越小。这样永磁同步 江苏大学硕士学位论文 电机的体积小、功率密度高的优点就可以体现出来了，并且永磁电机转矩波动小， 速度范围宽，性能更优越。基于以上特点，永磁同步电机是i s g 系统首选电机之 一，是目前研究和发展的热点；同样，性能卓越的数字化控制也是电机控制的发 展趋势与重点所在。 1 5 全数字化伺服控制系统概况及其发展趋势 1 5 1 伺服系统及其发展趋势 伺服系统( s e r v os y s t e m ) 属于自动控制系统中的种，用来控制被控对象的转 角( 或位移) ，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。它通常 是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。 从伺服系统发展与现状清楚地看出其发展趋势，表现在以下几个方面： ( 1 ) 交流化 交流伺服系统将继续迅速地发展，并逐渐取代直流伺服系统。从目前国际市 场的情况看，几乎所有的伺服系统新产品都采用交流伺服系统。 ( 2 ) 全数字化和控制智能化 交流伺服系统控制单元经历了模拟式一混合式一全数字化逐步演变进步的 过程，各类新型高速微处理器和电机专用数字信号处理器( d s p ) 的出现，为伺 服控制单元实现包括位置环、速度环、电流环的全数字化控制奠定了坚实的基础， 从而将原有的硬件数字控制变成了软件控制，不仅大大简化了数字化伺服系统的 结构，提高了运行可靠性，而且使在数字化控制系统中应用现代控制理论的先进 算法成为可能。从而促使交流数字伺服系统的控制性能进一步提高。 ( 3 ) 高度集成化 一方面水磁材料磁能积不断提高，使永磁同步电机的体积重量明显下降， 另一方面电力i - 电子技术的发展，一大批新型功率器件应用到交流数字伺服控制单 元中，最典础的是i g b t 智能模块( i p m ) 的应用，不仅使主电路更加紧凑，而且 大大简化了伺服系统的驱动、保护环节。特别是内含电压自举电路的i p m 模块， 可以将原来驱动译元所需的四路独立电源减少为一路电源，新型电子器件的不断 涌现，也促进了伺服嗨元的高度集成化。 ( 4 ) 通讯网络化 6 江苏大学硕士学位论文 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化工程技术近十几年来取得了 长足的发展，并显示出良好的发展势头，为适应这一发展趋势，最新的伺服系统 都配置了标准的串行通讯接口和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著增强 了伺服单元与其他设备间的互联能力，以c n c 系统为例，只需一根电缆或光缆， 就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成整个数控加工系统。近 年来现场总线通讯方式( 女h c a n 、s e r c o s 总线等) 已出现在交流伺服系统中， 进一步加快了各设备之间的通讯速率与可靠性。值得注意的是，近年来进口交流 全数字控制系统都匹配了完善的串行通讯接口和运行软件，而国内交流全数字控 制产品尚存在较大差距【7 】【8 】【9 】。 1 5 2 全数字化控制系统 随着计算机技术的发展，无论是在生活还是在工业生产过程当中，人们对 数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电 机传动系统就是骨骼和肌肉，它们之间的完美结合才是现代产业发展的方向。为 了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性 能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。由于单片机控制简单、价格低，其 性能不断提高，具有丰富的软、硬件资源，已经在交流调速系统中得到了较多地 应用，尤其在通用丌环交流凋速系统中应用更加广泛。以及交流电机控制理论的 不断发展，控制策略和控制算法也f 1 益复杂，各种控制和算法都应用到了交流电 机的矢量控制、直接转矩控制以及无速度传感器控制当中。由于单片机对大量数 据的处理或者浮点运算的能力有限，从而使得d s p 芯片在全数字化的高性能交 流调速系统中找到了施展身手的舞台。如tt 公司最近推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系列 d s p 芯片，以其较高的性价i ：c 平u 控制功能，成为全数字化交流调速系统的首选， 尤其以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系列产品，是在f 2 4 x 的基础上丌发的高性能3 2 位定点芯片， 大大地提高了处理能力【10 1 。 1 5 3 控制策略及其发展 近几十年来的发展表现最突出的是4 i 断进步的控制策略，其中具有代表性的 是：恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模 变结构控制、智能化控制等等。 1 9 7 1 年，德国b l a s c h k e 等人首先提出了交流电动机的矢量变换控制理论， 江苏大学硕士学位论文 从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。矢量控制原理是以转子磁场 定向，在同步旋转坐标系中，把定子电流矢量分解为两个分量：一个分量与转子 磁链矢量重合，产生磁通，称为励磁电流分量l ；另一个分量与转子磁链矢量 垂直，产生转矩，称为转矩电流分量l 。通过控制定子电流矢量在旋转坐标系的 位置及大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，实现交流电动机像 直流电动机那样对磁场和转矩控制的完全解耦。因此，矢量控制的关键仍是对电 流矢量的幅值和空间位置( 频率和相位) 的控制。该控制方法首先应用在感应电 动机上，很快就被移植到了同步电机上。 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授提出的异步电机直接转矩控制技 术是继矢量变换控制之后在交流调速领域里出现的一种新型变频调速技术1 1 2 1 。通 过检测电机定子电压和电流，借助实时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并 根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。该方法在定子坐标系 下分析交流电机的数学模型，在近似圆形旋转磁场的条件下强调对电机的转矩进 行直接控制，省掉了矢量坐标变换等复杂的计算。其磁通估算所用的是定子磁链， 只需知道定子电阻就可以把它观测出来，相对矢量控制更不易受电机参数变化的 影响。直接转矩控制摒弃了矢量控制中解耦的思想，在很大程度上克服了矢量变 换控制计算复杂，控制效果受转子参数变化影响较大等缺点，它的控制系统结构 简单，转矩响应迅速，鲁棒性增强，控制性能优良，控制思路新颖，从一闷世就 受到人们的广。泛关注。近年来，直接转矩控制方式被移植到永磁同步电机的控制 中，其控制规律和关键技术诉逐渐被人们了解、掌握，直接转矩控制在全数字化、 大力矩、高速响应的交流数字控制系统中将有广阔应用f j f 景【1 0 1 | 1 1 1 【1 2 】。 1 5 4 驱动技术及其发展 先进的控制策略需要通过功率变换器才能实现对永磁同步电动机的最佳控 制，电力电子技术的飞速发展促进了永磁同步电动机功率变换器的更新换代，在 经历了g t r ，p o w e rm o s f e t ，i g b t 构成的主电路之后，目前大多数永磁交流伺 服系统采用了智能化i g b t 模块i p m 构成的主电路拓扑。i p m 将主电路、驱动电 路、保 f f l 电路、故障报警电路等集成在一个模块中，大大简化了交流伺服系统功 率变换设计与制造的难度，并提高了系统工作的可靠性。一种内含电压白举电路 的i p m 模块将传统三相驱动电路所需的4 路隔离电源简化为只需要1 路电源，进一 8 江苏大学硕士学位论文 步简化了系统电路设计。 p w m 技术是开关型功率变换器的重要技术支撑，目前数字化伺服控制系统 中主要采用的p w m 技术有正弦p w m ( s p w m ) ，优化p w m 以及空间状态矢量 p w m ( s v p w m ) 技术等。s p w m 技术成熟，使用最广泛，但其电压利用率不高， 而s v p w m 电压利用率高，开关损耗小，己逐步推广应用到交流控制系统中，优 化p w m 可根据需要消除任何次高次谐波，使输出波形最优化，并可减少功率变 换器开关损耗，但其完成的计算工作量大，需要高速c p u 的支持才能实现，是今 后的一个重要发展方向。 p w m 逆变器的丌关死区的存在使得逆变器实际输出电压和给定电压之间存 在偏差，会造成电压和电流的畸变，是造成交流伺服系统性能下降( 低频力矩减 少、转距脉动和噪声增加、发热加重等) 的一个关键因素，补偿开关死区效应是 目前和今后的研究热点之一【1 3 】1 14 1 。 1 5 5 全数字化控制的优点 全数字化的最大优点是使控制系统软件化，使得系统具有极好的柔性，在不 改变硬件的前提下，改变软件即可实现不同的控制功能。可以设计统一的硬件电 路，通过修改软件版本以适合不同的电机控制系统。 在永磁同步电机i s g 的系统控制中，采用全数字化控制具有下列优点【”】： ( 1 ) 采用速度更快、功能更加强大的d s p 或者为用户专门设计的大规模集成 电路( v l s i ) 加软件构成的控制芯片，降低了控制系统的硬件成本，使得系统体 积小、重量轻、效率高。 ( 2 ) 数字电路没有温度漂移i u j 题，不存在参数变化的影响，稳定性好。 ( 3 ) v l s i 使线路连线减少到最少，其平均无故障时间大大长于分立元器件电 路，且屏蔽性能好，提高了系统的可靠性。 ( 4 ) 信息双向传递能力大大增强，容易和上位机系统联合运行，可随时改变 各种控制参数。 ( 5 ) 提高了信息存储、监控、故障诊断、报警、调整以及分级模块化控制的 能力，有利于实现性能优异但算法复杂的控制策略。 ( 6 ) 软件控制具有很大的灵活性，可以方便的增加、修改或者删减软件的模 块以适应各种不同场合的需求。 9 江苏大学硕士学位论文 1 6 本课题研究意义与论文主要内容 p m s m 的i s g 系统融合了电机、现代电力电子、数字信号处理、现代控制等 技术，集传统汽车的起动和发电功能于一体，具有突出的起停控制快、能量再 生利用好、动力辅助性强等优点，尤其在降低排气污染、节约燃油方面效果明显， 是国际公认的传统汽车、混合动力汽车以及未来电动汽车发动机部件的必然发展 方向。开展基于永磁同步电机的汽车i s g 系统数字化控制的研究，主要内容包括 以下几个方面： ( 1 ) 介绍数字控制系统的分类及发展，分析永磁同步电机i s g 系统的基本结构 与控制系统以及矢量控制方法，并导出其数学模型。 ( 2 ) 分析了数字化电流环的实现方法，推导出位置、速度、电流三个控制环 的数学模型并对控制性能进行了分析。 ( 3 ) 结合本系统分析了位置检测的方法及转速计算方法。 ( 4 ) 结合本系统介绍了数字控制系统的硬件和软件设计。 ( 5 ) 对本系统进行实验研究，记录波形，结合理论进行分析。 l o 江苏大学硕士学位论文 第二章ls g 系统的全数字化控制策略分析 2 1 永磁同步电机i s g 系统的体系构成 永磁同步电机i s g 系统构成主要由永磁同步电机、控制器、功率变换器和位 置检测器等组成，系统框图如下图2 1 所示， 起动运行 发电运行 系统给定、油门位置 蓄电池充电电流检测 图2 一l 永磁同步电机i s g 系统框图 2 2 永磁同步电机i s g 系统的基本功能 汽车在实际行驶时分几种工况，即起步加速工况、超车加速工况、匀速爬坡 工况、减速制动工况和匀速行驶工况。i s g 系统即是按照汽车行驶时的需求功率， 进行的模式迁变与能量分配。其基本功能有【1 2 j 1 1 3 】1 1 8 】： ( 1 ) 起动：起步加速工况时，电机消耗电能，以最大扭矩输出，发动机由 电磁转矩直接拖动作用下，起动时间可缩短到约o 1 0 2 秒，可实现低噪音起 动。 ( 2 ) 发电：减速制动工况和匀速行驶工况时，电机在发动机的拖动下发电 运行，吸收机械功率，转变为电能输出。由于智能控制器的使用和电机的优化设 计，发电效率在全速范围内能达到8 0 。 ( 3 ) 阻尼、减振：装配在发动机曲柄上的电机可大大补偿了气压和惯性所引 起的转矩扭曲( 周期性不均匀) 。当曲柄转得过快时，可由发电机实现其停刹， 形成曲柄和电容器问能量交换的过程。结果不仅是周期性不均匀大大减少，也对 整个驱动过程起稳定作用( 消除齿轮振动等等) 。经过不断地研究和改进，汽车 j s g 系统还可具有其它的些功能，特别是由于i s g 的使用，提高了发电功率， 江苏大学硕士学位论文 如动力增压器( p o w e rb o o s t e r ) 、电动掌舵、电磁刹车等等诸多功能。 2 3 永磁同步电机的数学模型 2 3 1 坐标变换 在电机控制中经常应用坐标变换，它可以简化控制模型的分析，矢量控制中 用到的电机坐标系有三种【l 】【1 5 l 【i6 1 。 ( 1 ) a b c 坐标系 属于静止坐标系( 三相定子坐标系) ，电机三相电枢绕组的轴线分别为a 、b 、 c ，彼此互差1 2 0 0 空间电角度，构成了a b c 三相坐标系，综合电流矢量f 在三相定 子坐标轴上的分量如图2 2 ( a ) 。 b c b c 伯)( b ) 图2 - 2a - b c 坐标系与口一轴、d - q 轴坐标系间的对应关系 ( 2 ) 口一轴坐标系 口一坐标系是一个在空间具有相对固定并成正交轴线的坐标系统，不随转 子旋转而转动，也属于静止坐标系。它的口轴与三相定子坐标系的a 轴重合，轴 超前口轴9 0 度电角度，图2 - 2 ( a ) 中、为综合电流矢量f 在口一轴上投影的 分量。a b c 坐标系变量与口坐标系变量之问的转换关系如下： l 1 1 22 o 笪一鱼 22 1 1l 222 1 2 ( 2 1 ) 2 3 = 1，j k砀 。l 江苏大学硕士学位论文 阡 101 一! 鱼1 2 2 1压1 222 ( 2 - 2 ) ( 3 ) d - q 轴坐标系 属于旋转坐标系，将d 轴固定在转子磁极轴线上，q - q l t t 超前d 轴9 0 度电角度， d - q 轴随转子以同步转速缈旋转，就构成了d - q 轴坐标系，它是坐标轴旋转的等效 两相坐标系，其中d 轴与a 轴( 或o f 轴) 之间的夹角为秒。把综合电流矢量f 对d q 轴分解，结果如图2 - 2 ( b ) 。a b c 坐标系变量与d q 坐标系变量间的转换关系如 下： 阡 c o s 口c o s ( 护一争 一s i n 矽一s i n ( 乡一_ 2 1 r ) - ， l1 22 c o s ( 臼等) s 岬+ 了2 7 r ) 1 厶 c o s 0- s i n 0 1 c 。s ( 9 一孚) “n ( p t 2 z r ) 1 jj c 。s ( p + _ 2 n ) 一s i n ( 0 + _ 2 z c ) l j j ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 2 3 2p m s m 在d q 轴下的数学模型 为了实现转矩线性化控制，就必须要对转矩的控制参数实现解耦【1 6 】【1 7 】【2 3 1 。 为了简化分析，在推导p m s m 的数学模型时，有以下假设： ( 1 ) 忽略铁心饱和，不计涡流和磁滞损耗，认为磁路线性，可以用叠加原理进 行分析； ( 2 ) 转子上没有阻尼绕组，且永磁体也没有阻尼作用； ( 3 ) 感应电动势( 反电势) 是正弦的，定子电流在气隙中只产生正弦分布磁势， 忽略高次谐波。 按照以上条件分析实际电机，所得结果和实际情况十分接近，可以使用上述 假设对电机进行分析与控制。取永磁同步电机转子励磁磁链方向d 轴，q 轴超前d 轴9 0 0 ，此挫标系随电机转子以同步速缈，旋转，则在此d q 坐标系上的三相永磁 2 3 = 1，j 00ku p。l 江苏大学硕士学位论文 同步电机的矢量图如图2 3 所示【1 8 1 1 1 9 1 1 2 0 1 。 图2 - 3 三相水磁i j 步电机的矢量图 图中a s 为a 相绕组轴线，为电机定子- - - - n 电流合成空间矢量c 和永磁体励 磁磁场轴线( d 轴) 之i 、日j 的夹角，又称转矩角。0 为d 轴轴线与a 相绕组轴线之间 的夹角。可推导得d q 坐标系下电机的数学模型如下： 定子电压方程： 卜础屯+ 眠一t o 舻, q( 2 - 5 ) 【u 9 = r e + 尸+ 眈 定子磁链方程： 。厶乙+ 缈厂( 2 - 6 ) 【2 厶 由以上两式可得： p d 硼! l t jpldeoelqiq(2-7) 【= 月+ 厶p + 吃( 厶+ ，) 上述公式中的u d 、材。、屯、分别为d 、q 轴上的定子电压、电流 及磁链分量；r y 9 定子相电阻；乞、l d 为d 、q c d t te 的定子电感；q 为转子旋转 的电角速度；少，为永磁体对应的转子磁链；p = d d t 为微分算子。 由以匕推导可得p m s m 的动态等效电路，如图2 4 所示。 1 4 江苏大学硕士学位论文 图2 _ 4 永磁同步电机的动态等效电路 输出的电磁转矩为： 气气 乃= 吾p ( 一l 吵。) = 亏p 【”+ ( l 一厶) o 】 ( 2 - 8 ) 电机的机械运动方程为： 乃= 互+ b o o r + j p c o r ( 2 9 ) 上述公式中，。为电机极对数：z 为电磁转矩，巧为负载转矩；助电机转子 和所带负载的总转动惯量，b 为粘滞摩擦系数；q 为电机转子的机械角速度， 其与电角速度间的换算如下： 吃= n t , ( - o r ( 2 - 1 0 ) o d d q 坐标系下的矢量图2 2 ( b ) 可得： 乙= i , c o s p ( 2 - 1 1 ) 【= ts i n f l 结合( 2 8 ) 式可得电磁转矩： t ：3 n p f i ，s + 要( 厶一厶) (212)in s i n 2 f 1 1 2 ) t =s + 专( 厶一厶) ( 。 上式括号中第一项是由定子电流合成磁场与永磁体励磁磁场相互作用产生的 电磁转矩，称为主电磁转矩；第二项是磁阻转矩，它是由电机的凸极效应引起的， 并与两轴电感参数的差值成正比。 对于表贴式永磁同步电动机( s p m ) ，凸极效应很弱，可近似认为l a = l q = l ， 电磁转矩方程简化为： t e = 吾虬厂s i n f l ( 2 - 1 3 ) 输入总功率为： = 甜。+ 甜6 + 吼t = 詈( “j 屯+ 甜q f ( ，) ( 2 - 1 4 ) 江苏大学硕士学位论文 2 4 矢量控制策略 2 4 1 矢量控制原理 在全数字控制系统中，关键的问题是实现电机电磁转矩的高性能控制，通过 对电磁转矩的控制，使电机及其负载运行的轨迹( 角位置) 、速度、加速度满足 指令信号的要求。由上节公式( 2 8 ) 可以看出，永磁同步电机的电磁转矩的控制取 决于对交轴电流和直轴电流屯的控制，并且与成正比，当屯= o 时，比例系数 为常数，只要控制t 就可以线性的控制转矩，获得与直流电机相同的控制性能。 电机的d 轴磁链= 厶+ g z ，因此乙的大小不同会对永磁体的励磁磁场产生去 磁或者助磁作用。对于s p m 电机，由其转矩方程( 2 1 3 ) 可知，实现矢量控制即控 制定子合成电流矢量c 的幅值和其相对转子永磁体励磁磁链的夹角，根据控 制范围的不同，矢量控制可以分为三类f 1 】f 2 2 1 1 2 3 1 。 ( 1 ) = 9 0 。时， = 0 ，乞= ，直轴电流0 既不起助磁作用也不起去磁作用。 不管是i p m 还是s p m 电机，电磁转矩表达式变为： t c = 弛 ( 2 - 1 5 ) 0 电磁转矩仅与交轴电流成正比，比例系数k = 丢p 盼，从而实现了交轴电 流乞和直轴电流易的解耦，达到了矢量控制的目的，由于电机定子综合电流矢量 始终与转子的励磁轴线成9 0 0 ，该方法又称按励磁轴线定向的矢量控制。此时电 机所有电流均用来产生电磁力矩，电流控制效率高，且减少了定子铜耗。缺点是 随输出转矩增加，端电压增加较快，功率因数下降，对逆变器容量要求提高。为 保证电流环动态跟随，随着电机转速升高，外加电压应越高。对有凸极效应的永 磁同步电机而言，该方法没有充分利用磁阻转矩，没有充分发挥电机转矩输出能 力。 ( 2 ) 9 0 0 f l o 使u 。，升高，屯 o 使u 。降低。即 0 时可以实王见弱磁升速控制，使得在高转速下，能充分利用逆变器输出电压的能力 1 6 江苏大学硕士学位论文 获得高功率输出。 (