（车辆工程专业论文）电动车用异步电机直接转矩控制系统的建模与仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 由于传统汽车的保有量急剧增大引发的一系列能源 气候 噪声 疾病 污染问题 清洁能源汽车无疑是汽车未来的发展方向 作为未来汽车的核心部件 之一的电机驱动系统 一直是广大学者和企业研发人员公关的主要课题 在前言 中作者对交流调速技术的发展状况和电动汽车的不同驱动系统作了介绍 从对异步电机的p w m 调速原理开始作了简单介绍 并对空间电压矢量变频 技术 s v p w m 作详细分析 讲述正六边形磁链圆和近似圆形正多边形磁链圆轨 迹的p w m 算法思想 然后论述三相异步电机的动态数学模型的建立和坐标变换技 术的相关理论 从八叶 年代中期 德国d e p e n b r o c k 和日本的t a k a h a s h i 相继提出了异步电 机卣接转矩控制技术的思想起源 文章从直接转矩控制的原理和方法做了说明 并根据直接转矩控制系统的组成作者在m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台的基础上 对 异步电机直接转矩控制系统的各模块 基于物理特性的电机动态数学模型 电机 转矩观测器模型 电机定子磁链观测器模型 定予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 转矩控制器和磁链控制器模型 转速p i 调 节器模块进行分别建模 并用3 0 k w 的样机进行仿真试验 通过对系统在恒定负 载下进行仿真分析 通过设置不同的定子磁链容差 得到定子磁链容差对转速的 输出特性 转矩的输出特性 定子磁链的输出特性的影响程度 采用相同的方法 同过仿真实验得出转矩容差 转速p i 调节器的p i 几个参数的改变对交流异步 的转速输出特性 转矩输出特性 定子磁链输出特性的影响 从中得出所建的仿 舆模型有良好的稳态特性 系统的转速p i 调节中 参数p i 的设置尤为重要 它小但影响电机转速 转矩的响应时间 还影响其超调量 造成起步时电机抖动 重时使转速和转矩发散 最后采用阶跃负载施加在此电机模型上 得到直接转 矩控制系统的动态转速输出特性 转矩输出特性 定予磁链的动态输出特性 从 仿真结果可出此系统的动态特性还比较理想 该控制系统对从事电机控制和电动 汽车仿真或电机的选型有重要的工程意义 在总结中说明了此异步电机直接转矩控制系统还有待进一步深入研究和完 善的几方面的内容 关键词 电动汽车 异步电机 直接转矩控制 建模与仿真 亟堡望三丕堂堡主堂篁鲨兰 a b s t r a c t t h ep a p e rs u m m a r i e st h es e r i e si s s u e so fe n e r g y c l i m a t e n o i s e i l l n e s s p o l l u t i o n d u et ot h er a p i d l y i n c r e a s i n gn u m b e ro ft h ea u t o m o b i l e so nt h ee a r t h t h e f u t u r e v e h i c l ew i l lb ec l e a r e ra n dc o n s u m el e s sf u e l a st h ek e yi m p o r t a n tp a r to fv e h i c l e m o t o r s y s t e m sc h a r a c t e r i s t i cw a s r e s e a r c h e db ym a n yr e s e a r c h e r sa n ds c h o l a r s i nt h e p r e f a c ea l l k 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 cv e h i c l ea r ei n t r o d u c e da n dt h e p r o c e s so fr e g u l a t i o nt h es p e e d o fm o t o rb y a l t e r n a t i n g c u r r e n tw a sn a r r a t e d i ns e c o n dc h a p t e rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n st h e o r yi sd i s c u s s e d i nt h es a m et i m e t h ea u t h o rt e l lo ft h e v o l t a g es p a c e v e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n st h e o r y a r i t h m e t i co ff l u xl i n k a g e st r a c ki sd i s c o u m e do n w h o s es h a p ei sh e x a g o no rc i r c l e h o wt om o d e lad y n a m i cm a t h e m a t i c sm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o ra n dh o wt o e x c h a n g e t h ep a r a m e t e ri nd i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e ms u c ha sm to rd qs y s t e m a r e r e c o m m e n d e di nc h a p t e r3 t h em o s ti m p o r t a n tt h i n g sa r et h et h e o r yo fd i r e c t l yt o r q u ec o n t r o ls y s t e m a n d m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt h ec o n t r o ls y s t e m w h e nt h ei d e ao ft h ed i r e c t l yt o r q u e c o n t r o ls y s t e ma p p e a r sa n dt h e s t r o n g p o i n to f t h es y s t e ma r ep o i n t e do u t b y a u t h o f w i t ht h eh e l po fs i m u l a t i o ns y s t e mo fm a t i a b e v e r yp a r to ft h ed i r e c t l yc o n t r o l s y s t e mi sb u i l d i n gu p s u c ha sm o t o r sm o d e l t h ef l u xl i n k a g e so b s e r v e rm o d e lo f s t a t o r t h et 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 l o fs t a t o r sf 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 l s p e e d sp ir e g u l a t i o n d u r i n gs i m u l a t i o n t h el o a do fm o t o r i sc o n s t a n ta n dt h ev a l u e o fs t a t o r sf l u xl i n k a g et o l e r a n c ei sd i f f e r e n t w ec a no b s e r v e rt h es p e e d sc h a n g e t h e c h a n g eo fs t a t o r sf l u xl i n k a g ea n dt h ec h a n g eo fm o t o r st o r q u e u s i n gt h es a l n e m e t h o d w eu s ed i f f e r e n tt o r q u et o l e r a n c e d i f f e r e n tv a l u eo fpa n dit oo b s e r v e rt h e c h a n g eo fs p e e d a n ds oo nw ea l s oo b s e r v e rt h ec h a n g eo ft o r q u ea n ds t a t o rf l u x l i n k a g e w eg e tt h er e s u l t st h a tt h es m a l l e rt h et o r q u et o l e r a n c et h el e s sf l u c t u a t eo f m o t o r t o r q u e t h el e s sv a l u eo fs t a t o rf l u xl i n k a g et h es h a p eo fs t a t o rf l u xl i n k a g ew i l l b ec l o s e rt oi d e a lf l u xl i n k a g e t h ev a l u e so fp ia i er e l a t et ot h es h a p eo fs p e e d s f i g u r ea n dt o r q u e sf i g u r e t h e ya f f e c tt h er e s p o n s et i m ea n do v e r s h o o to fs p e e da n d t o r q u e a tl a s t a s t e pl o a d i sa d d e dt ot h em o t o rs y s t e m i th a sag o o dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c t h i s d i r e c t l yt o r q u ec o n t r o ls y s t e mi sa p p r o v e d w h i c hc a nh e l pt h e e n g i n e e r t od os o m er e f e r e n c e i nt h ec o n c l u s i o ns o m ew o r km u s td o d e e p l ya n dw i d e l yi nt h ec o m i n gd a y sa r el i s t t om a k et h ec e n t r e ls y s t e m s o p h i s t i c a t e h 武汉理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s e l e c t r i c v e h i c l e a s y n c h r o n o u sm o t o r d s c m o d e l i n g a n ds i m u l a t i o n i 第1 章前言 1 1 背景 3 m 川6 3 汽车的发展给人类生活提供了方便 但同时也加剧了全球环境的污染 使石 油资源大量消耗 带来了温室效应 人类与环境共存和全球经济的可持续发展使 我们迫切希望寻求到一种低排放和有效利用资源的交通工具 电动汽车无疑是一 种很有希望的方案之一 圳年代以来 电动汽车的研制热潮在全世界范围内兴起 其中在欧洲 北美 f 1 水等地 水平较高 发展较快 正在逐步由样车试制向批量商业化生产的方向 发键 电动汽车的发展有赖于技术的进步 尤其是进一步提高动力系统的性能 降低其成本 目前 世界各国的电动汽车的研究重点主要集中在电池和电机驱动 系统 o 电动汽车运行工况非常复杂 因此 对驱动系统的要求是很高 1 瞬时功率 人 过载能力强 加速性能好 2 调速范围宽广 包括恒定转矩区和恒定功率区 在恒转矩区要求低速运行时 具有大转矩 以满足起动和爬坡的要求 在恒功率区 要求低转矩时 具有高的速度 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 具有高的效率 以提高1 次充电的续驶里程 4 可靠性高 以满足车辆的各种工况 如高低温 坏天气和剧烈振动等 5 价格合理 能被用 户所接受 电机驱动系统是电动汽车的心脏 它与整车动力性能的好坏密切相关 是电 动汽车关键核心技术之一 目前在电动汽车中 主要的几种驱动系统包括直流电 机斩波调速系统 感应电机变频调速系统 永磁同步电机变频调速系统和开关磁 m u 机调速系统等 直流电机由于有电刷和换向器 所以结构复杂 体积大 维护 i f 1 避入 效率低 最高转速受到限制 与直流电机相比 交流电机具有效率高 比 j 串人 能够再生制动 可靠性高和维护少的优势 因此 在电动汽车的应用 小 交流电机已逐渐取代直流电机 交流变频调速的发展主要得宣于以下几方面 1 功率器件的发展 2 0 世纪8 0 年代中期以来 变频装置功率回路主要采用晶闸管元件 装置的 效率 可靠性 成本 体积均无法与同容量的直流调速装置相比 8 0 年代中期 以后第二代电力电子器件g t r g i a n tt r a n s i s t o r g t o g a t et u r no f f t h y r i s f o r v d m o s i g b t i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r 等制造的变 频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美 随着向大电流 高电压 武汉理工大学硕士学位论文 1 油 化 集成化 模块化方向的发展 第三代电力电子器件是2 0 世纪9 0 年代制 遗变频器的主流产品 中小功率的变频调速装置 卜1 0 0 0 k w 主要采用i g b t l ii 人功率的变频调速装置 1 0 0 0 一1 0 0 0 0 k w 采用g t o 器件 2 0 世纪9 0 年代至 今 电力电子器件进入第四代 a 高压i g b t 器件 h v i g b t 变频容量达6 0 0 0 v a 输出电压等级达到4 1 6 0 v b i g c t i n s u l a t e dg a t ec o n t r o l l e dt r a n s i s t o r 其门极控制功率为0 5 1 w 变频容量达6 0 0 0 一1 0 0 0 0 v a 输出电压等级达到 3 3 0 0 6 0 0 0 v c i e g t i n j e c t i o ne n h a n c e dg a t et r a n s i s t o r 东芝 g e 研 制的高压 大功率 全控型功率器件i e g t 是把i g b t 和g t o 二者的优点结合起来 的注入型增强栅晶闸管 d s g c t s y m m e t r i c a lg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r 器件 第四代电力电子器件模块化更成熟 如 智能化模块i p m 专用功率器件 模块a s p m 开关器件的发热更低 驱动功率更小 可实现高载波控制 使变频 器输出的电流波形有明显的改善 提高开关频率 使之超出人的听觉范围 实现 运 的静音化 2 控制策略的发展 和其他领域的情况类似 交流调速系统也经历了一个漫长的发展过程 从最 例的丌环v f 控制到后来的闭环转差频率控制 矢量控制和直接转矩控制方式 呵控变量越来越多 控制方法越来越复杂 控制性能也越来越高 v f 控制是在改变频率的同时改变变频器的输出电压 使电机磁通保持一定 在较宽的调速范围内 电机的效率 功率因数不下降 由于该方法的控制目标是 使变频器的输出电压与频率之比恒定 故称v f 控制 该方式常用于控制风机 泵类负载的调节运行以及生产线工作台传动 转差率控制需要检测电动机的转速以构成速度闭环 速度调节器的输出为转 差频率 然后以电机的转速与转差频率之和作为变频器的给定输出频率 由于可 以通过控制转差频率来控制转矩和电流 与v f 控制相比 其加减特性和限制过 f u 流能力得到一定提高 父鞋控制是 种高性能异步电机控制方式 它基于转子坐标系下电动机的数 j 7 设掣 分别控制电动机的转矩电流和励磁电流 使交流电机拥有和直流电机相 类似的控制性能 和标量控制的主要区别在于它不仅控制电流的大小 而且控制 电流的相位 但该方式的应用前提是要对电机的参数进行估算 如何提高参数的 估算准确性一直是研究的热点问题 直接转矩控制技术是上世纪8 0 年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一 种异步电动机变频技术 德语称之为d s r d i r e k t es e l b s tr e g e l u n g 英语为d s c d i r e c ts e l f c o n t r 0 1 直接转矩控制思想于1 9 7 7 年a b p i u n k e t t 在i e e 上首先提出 1 9 8 5 年德国鲁尔大学i d e p e n b r o c k 教授首次取得应用的成功 接 2 武汉理工大学硕士学位论文 着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围 此技术一诞生 就以其新颖的控制思想 的 j 的系统结构 优良的动静态性能受到普遍的关注并得到迅速的发展是利用空 o j 0j 磁场定向的分析方法 直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学 川h 馆 o 拎制异步电动机的磁链和转矩 眦蒋科妓的发展 控制理论和控制方法也在不断推陈出新 基于现代控制理 沦的思想 产生了滑模变结构技术 模型参数自适应技术以及在某种指标意义下 的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法 基于智能控制思想的控制策略 产 个r 模糊控制 神经元网络 专家系统和各种各样的白优化 自诊断技术等 这 控制理论的出现为电动汽车交流调速系统提供更为有力的控制手段 3 微处理器和专用集成电路 a s i c 的发展 新型控制策略的实用化完全得益于微处理器技术的发展 电机数字控制核心 经过8 位通用 u 1 6 位通用醅c u 和面向电机控制的专用m c u 并随着微处理器 技术的成熟和完善发展到目前面向电机数字化控制的高性能m c u 和高速数字信 l j 处理器 d s p 三菱电机控制的m 3 7 7 0 5 m 7 9 0 6 单片机 美国德州仪器的 l 2 1 x d s p 和a d 公司的a d c 4 0 l 都是这些方面的代表性产品 崩速处理器 d s p 和专用集成电路 a s i c 技术的快速发展 简化了系统 哎 保证了电机数字控制系统的实时性 为实现电机控制系统高精度 高稳定 悱 商抗f 扰能力 多功能化 通用化 高性价比等提供了硬件手段 4 计算机辅助技术的发展 随着计算机和微电子技术的发展 现代计算机的功能越来越强大 速度越来 越快 为系统设计和仿真提供的软件越来越多 如m a t l a b s a b e r p s p i c e e m p t 等 m a t l a b 凭其强大的矩阵运算能力 简便的绘图功能 可视化的仿真环境及 丰富的算法工具箱 已成为科研和工程技术人员的有力开发工具 5 p 删技术的发展 p w m 控制技术是变频调速的核心技术 其大致可以分为三大类 正弦p w m 包括以电压 电流或磁通的正弦为目标的各种p w m 方案 多重p w m 也归于此类 优化p w m 技术及随机p w m 优化p w m 实现电流谐波畸变最小 电压利用率最高 效率最优 转矩脉动最小以及其他特定的优化目标 为改善电机绕组的电磁噪声 埂惜波引起的震动 随机p w m 方法应运而生 其原理是随机改变开关频率使电磁 峨i f 近似为限带白噪声 直接转矩控制技术的特点 武汉理工大学硕士学位论文 1 直接转矩控制系统是直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型 控 制电机的磁链和转矩 它不需要将交流电机和直流电机作比较 等效 转化 因 此它所需要的信号处理工作比较简单 所用的控制信号使观察者对交流电机的物 胖过程做直接和明确的判断 2 t l 接转矩控制的磁场定向是用的定子磁链 只要知道定子的电阻就可以 把它观测出来 而矢量控制所用的是转子磁场定向 观测转子磁链需要知道转子 的电阻和电感 因此直接转矩控制系统大大减少矢量控制中控制效果容易受参数 变化影响的问题 氲接转矩控制系统采用空间矢量的概念来分析三相电机的数学模型和控 制其备物理量 使问题变得特简单 4 直接转矩控制系统以转矩和磁通的独立跟踪自调整并借助转矩的 b a n g b a n g 控制来实现p w m 控制策略和高动态性能 1 2 本课题提出的背景及研究的内容 本课题是国家 8 6 3 电动汽车仿真软件开发的一个部分 因为以往的电动 汽车仿真软件a d v i s o r p s a t 在进行整车仿真时电机的外特性 效率特性都是以 m a p 图的形式给出 仿真过程中直接用查表的形式得出所要电机的数据 如果在 f 乜动汽车的仿真过程中也把对电机的控制溶入其中 仿真时不但可以选用不问的 l n 机 还可以对电机实行不同的控制方式 如矢量控制 直接转矩控制 滑模变 结十幻控制 神经网络控制等一些先进的智能控制 这样电动汽车的仿真软件的 f 翅结果会与实际使用情况相符 仿真更具有实际参考价值 奉义通过在m a t l a b s i m u l i n k 平台上建立了直接转矩控制系统的仿真系统 u l 的仿真模块 电磁转矩观测器的仿真模块 定子磁链观测器的仿真模块 定r 磁链区问的判断模块 电压空间矢量选择模块 通过对电机施加恒定载荷 和变载荷验证此仿真系统的有效性 稳态特性和动态特性 分析异步电机直接转 矩控制系统中转矩容差 定子磁链容差的大小和转速调节器中p i 值的大小设 置对f 乜机转速 转矩 定子磁链输出特性的影响 为下一步整个控制系统嵌入电 动汽车整车仿真软件系统中做准备 1 3 电动汽车动力驱动系统 1 3 1 电动汽车动力驱动系统简介 4 武汉理工大学硕士学位论文 电动汽车动力驱动系统按电机电流的类型可分为交流驱动系统 a cd r i v e s 直流驱动系统 d cd r i v e s 交流系统又分为感应电机驱动系统 i md r i v e s 和同 步电机驱动系统 s md r i v e s 同步电机可以分为永磁同步电机驱动系统 p m s m d r i v e s 和开关磁阻电机驱动系统 s r md r i v e s 如图卜1 所示 2 0 世纪9 0 年 代前的电动汽车几乎全是直流电机驱动的 直流电机本身效率低 体积和质量大 换向器和电刷限制了它转速的提高 其最高转速为6 0 0 0 8 0 0 0 r m i n 感应 电机交流驱动系统是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新技术 目前尚处于发展完善阶 段 川步电机也是电动汽车用高性能电机的一个重要发展分支 132 直流电机 图1 9电动汽车动力驱动系统 f 阁表示 台最简单的两极直流电机模型 它的固定部分 定子 上 装设 j 对真流励磁的静止的主磁极n 和s 在旋转部分 转子 上装设电枢铁心 l 一 轼f 之恻有 气隙 在电枢铁心上放置了两根导体连成的电枢线圈 线圈 的苒 端和木端分别连到两个圆弧形的铜片上 此铜片称为换向片 换向片之间互 相绝缘 出换向片所构成的整体称为换向器 换向器固定在转轴上 换向片与转 轴之间亦互相绝缘 在换向片上放置着一对固定不动的电刷b 1 和b 2 当电枢旋 转时 电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通 武汉理i 大学硕士学位论文 图卜1 0 直流电机结构示意图 1 3 2 i 直流电机的基本工作原理 图卜l l 直流电机工作原理图 直流电动机的工作原理归结如下 l 将直流电源通过电刷接通电抠绕组 使电枢导体有电流流过 i u h l 内部有磁场存在 找流的转j i 即电枢 导体将受到电磁力f 的作用f b 1 i a 左手定则 j 9 i 仃甘体 二的电磁力作用于转子 使转子以1 1 转 分 旋转 以便拖动 机械负载 i 流l b 动机具有以下突出的优点 1 调速范围广 易于平滑调速 2 起动 制动和过载转矩大 3 易于控制 可靠性较高 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 尽管它励直流电机需要复杂的斩波调速装置 但是由于使用比较方便 国外大部分电动汽车均采用了它励直流电机 虽然直流电机易于控制 但是由于 采用机械换向结构 维护困难 并要产生火花 尤其是对无线电的干扰 这对高 度智能化的未来电动汽车是致命的弱点 另外 直流电机及其驱动系统体积大 6 武汉理1 大学硕士学位论文 世l k 小 尚 速度范围有限 重量重 能量密度较低 所有这些因素都限制和妨 哪j 7 j 漉电机在电动汽车中的进一步应用 直流电机驱动系统在电动汽车中的地 竹将逐渐下降 而交流电机驱动系统必将成为2 l 世纪电动汽车驱动系统的主流 1 3 3 开关磁阻电机 1 3 3 1 简述 开关磁阻调速电机 简称s r d 是一种新型的机电一体化无级调速电机系统 无电刷 无整流子 它通过电子电路轮流接通和断开各相绕组使电机旋转的磁阻 式电动机 由电机本体 转子位置检测器 功率变换器和控制单元组成 电机本 体是一种定转子双边均开有开口槽的电机 定转子铁心由硅钢片叠成 定子上装 f 一j1 位置的多相集中绕组 每相绕组由相对的两个定子齿上的两组线圈串 l 埙 戊 艮容易做到散热 易于密封 电机坚固耐用 可靠性高 转予没绕组 h 冬l 趟 台两极定转子分别具有8 个和6 个齿 定子上装有四相绕组的开关磁阻 i u 目l 定f 每一相绕组与一个可控主开关元件s 相串联 并由电源电压u s 轮流 似给 m 定的荦向电流 v d 为续流二极管 控制各开关元件 使其依次给各相绕 纠 供给恒定的单向电流 并同时关断前一绕组 气隙中就会形成一个两极的移形 磁场 转子受到磁阻转矩t e 的作用 控制各相线圈轮流供电和关断的频率 使 移形磁场的推移速度与转子转速同步 使电机连续运行 1 3 3 2 系统特点 1 电动机结构简单 成本低 适用于高速 其突出的优点是转子上没有任 何型式的绕组 因此不会有鼠笼感应电动机制造过程中鼠笼铸造不良和使用中的 断条等问题 2 功率电路简单可靠 因为电动机 转矩方向与绕组电流方向无关 即只需 单方向绕组电流 故功率电路可以做到 每相有一个功率开关 因此开关磁阻电 动机调速系统较p w m 变频器功率电路中 h l 丌芙磁阻调速电机结构简图 所需的功率元件少 电路结构简单 3 各相独立工作 可构成极高可靠性系统 4 高起动转矩 低起动电流 控制器从电源侧吸收较少的电流 在电机侧 得到较大的起动转矩是本系统的一大特点 5 适用于频繁起停及正反向转换运行 可以广泛应用于牵引领域 如电动 7 武汉理工大学硕士学位论文 h h 一一 汽车 地铁 轻轨 电力机车 矿山 冶金等设备 尤其在电动汽车领域 更 何尢法代替的优势 6 可控参数多 调速性能好 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用 j 法午少订四种 相丌通角 相关断角 相电流幅值 相绕组电压 7 效率高 损耗小 这是因为一方面电动机转子不存在绕组铜损 另一方 i m i l 动机町控参数多 灵活方便 易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化 纷制 渊速范同为4 0 1 0 0 0 0 r p m 8 町通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求 例如电动车辆要 求的再生制动 在国内 自1 9 8 5 年起纺织部机电研究所便开展开关磁阻电机研究工作 已 丌发成功多种电动车辆驱动用开关磁阻电机及控制系统 如为东风公司开发的 e q 6 6 9 0 e v 电动中巴用3 0 k w 的k c t c 系列电动汽车开关磁阻调速电机系统 如下 图 深圳雷天公司中巴用5 5 k w 系统 北方交通大学地铁轻轨列车用1 8 0 k w 系列 孳 华中科技大学开发研制的电动轿车用全 数字化转矩直接控制的开关磁阻电机系统的 开关磁阻电动机采用三相6 4 极结构 密封外 循环水外冷铸铝机壳 控制器采用运算速度快 的d s p 数字信号处理器 t m d 3 2 0 f 2 4 0 作为主 控c p u 实现了对开关磁阻电动机全数字化的 高性能控制 功率变换器 主电路 的主元件是 图l 一13 开关磁阻调速电机实物图只有完善保护功能大功率i g b t 系统能方便 地实现四象限运行 能在任意转速下实现可控的发电回馈制动 目前 英国研制的b e d f o r d 电瓶货车 采用2 0 k w 开关磁阻电动机作为动力源 在 般公路上成功运行了4 8 2 7 k m 最高速度可达8 0 4 5 k 皿 h 另外还研制出了 5 0 k w 的汽车驱动嚣 1 3 4 稀土永磁同步电动机 1 8 2 1 年出现的世界上第一台电机就是永磁电机 但当时所用永磁体的磁能 训i k 低 制成的电机体积庞大而容量很小 不久被它励电机所取代 一直到本纪 j 年代以后 相继出现了钐钴和钕铁硼稀土永磁材料 具有高剩磁 高矫顽力 秆1 高磁能积优异性能 稀土钴永磁的退磁曲线基本是一条直线 回复曲线基本与 割i 4 稀土永磁材料 退磁曲线重合 抗磁能力强 制成电机后具有 高效节能的优越性能 1 9 7 8 年法国c e m 公司 制成了1 8 5 k w 以下的高效节能电机 但因当 时采用钐钻永磁体成本太高 未能推广 1 9 8 3 年以前 由于稀土永磁体价格昂贵 研究开发 重点是航空 航天用电机和要求高性能而价格 不是主耍因素的高科技领域 1 9 8 3 年 磁性 能更高而价格相对较低的钕铁硼永磁体问世 后 国内外研究开发重点转移到工业和民用电 机上 近年来 随着稀土永磁材料性能的不断提高 特别是钕铁硼永磁材料的热稳 定性 耐腐性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件技术的迸一步发展 稀 土永磁电机的开发和应进入了一个新阶段 钕铁硼磁体约占稀土永磁电机磁 体总量的7 0 采用稀土永磁电机可以明显减轻电机的重量 如1 0 k w 普通发电 机 重量为2 2 0 k g 而稀土永磁发电机为9 2 k g 德国西门予研制的1 0 9 5 k w 2 3 0 r p m 六级永磁同步电动机 用于舰船的进 与过去使用的直流电动机相比 体积减少 6 0 左右 总损耗降低2 0 稀土永磁电机高效节能 平均节电率高达1 0 某些专用电机节电率高达1 5 2 0 且价格合理 我国开发的高效节能稀土永 磁电动机 在力能指标及价格方面 国外高效电机不能与之相比 在国际市场有 撇强的竞争力 稀i 水磁电机是一种用稀土磁钢来激磁的电机 稀土永磁同步电动机的定 j i 为二三相对称绕组 与三相异步电动机结构相同 转予上粘有钕铁硼 n d f e b 磁钢 驱动器为交一直一交电压型逆变器 通过正弦波脉宽调制 s p w m 输出频率 电压可变的三相正弦波电压 三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正 弦波电流 并在气隙中产生旋转磁场 旋转磁场的角速度 埘i 其中 为 电动机对数 这个旋转磁场与已充磁的磁极作用 带动转子与旋转磁 场同步旋p 转 并使定 转子磁场轴线对齐 当外加负载转矩以后 转子磁场轴线将落后定子磁 场轴线一个0 功率角 负载愈大 o 也愈大 直到一个极限角度ei i i 电动机失 步为止 由此可见 同步电动机在运行中 要么转速与频率严格成比例旋转 否 则就失步停转 所以 它的转速与旋转磁场同步 它的静态误差为零 在负载扰 动下 只是功率角o 变化 而不引起转速变化 它的响应时间是实时的 这是其 它调速系统做不到的 永磁同步电机包括无刷直流电机 b d c m 和三相永磁同步电机 p m s m p m s m 刷 m 相比 永磁同步电机交流驱动系统的效率较高 体积最小 质量最小 9 武汉理工大学硕士学位论文 也尤直流电机的换向器和电刷等缺点 但该类驱动系统永磁材料成本较高 只在 小功率的电动汽车中得到一定的应用 但永磁同步电机是最有希望的高性能电 机 是电动汽车电机的发展方向 永磁同步电机的基本控制策略是 在低速时采 用转子磁链定向的矢量控制 而高速时用弱磁控制 以使电动机基本保持恒定功 率 满足电动汽车负载要求 1 3 5 异步电机 骨步电机由许多部件组成 定子和转子是电机的基本系统 下图是异步电机 旧绌构图 i 乜动机壳为了更好的冷却呈肋状外观 装有铁心的周围的槽内放有三 相绕组的定子铁心 定子铁心由薄 o 3 咖一0 5 吣 软铁叠片制成 它们被堆叠 辫 用螺钉拧紧在一起 为了减少涡流损失 在每张叠片的两侧用绝缘漆覆盖 在 侧向 用端盖封闭定予腔 它也作为转子前轴承的支撑 通常 为改善冷却 端 盖有防水滴的空气入口 转子铁心也是由叠片制成 它传递机械功率到负载 转 f 配有冷却风扇 在后面 有另一个轴承和固定在转子上的冷却风扇 风扇由风 扇罩罩住 由设在接线盒内的定子端子提供到达定子绕组的通路 接线盒盖住定 子腔内一个孔 异步电机主要分为 鼠笼式异步电动机 绕线式异步电动机和各 种控制用电动机三大类 图卜1 5 三相对称绕组 1 0 图卜1 6 异步电机的结构 武汉理一 大学硕士学位论文 图1 1 7 三相鼠笼转子图1 1 8 转予和定子 绕组联结方式 接法或者y 接法 如下图 u w u w i h 3 i a u b u h 幻 i l 图1 1 9 接法或者y 接法 电动汽车用异步电机的控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制 矢量控制 技术在上世纪7 0 8 0 年代已相对成熟 直接转矩控制是上世纪9 0 年代发展起来 的新的电机控制技术 滑模变结构技术 模型参数自适应技术以及在某种指标意 义下的最优控制技术 模糊控制 神经元网络 专家系统和各种各样的自优化 自诊断技术已逐渐在车用驱动异步电机中应用 1 3 6 几种驱动系统的性能比较n 1 r 徙足 螳著名汽车厂商生产的电动汽车所用的驱动系统的性能介绍 农卜l 著名汽车厂商生产的电动汽车所用的驱动系统的性能列表 j 采 下名 l 乜机形式电机功率 k w 逆变器选用其它 的器件 g m i m p a c t 轿 2 个三相鼠笼p m a x 4 2 5m o s 肿前轮驱动 车 异步电机 r e v b u s2 个三相鼠笼p m a x 1 2 0l o b t电机定子采用 异步电机p n 5 0 双绕组结构降 低i g b t 的电流 武汉理工大学硕士学位论文 n i s s a nf e v 2 个三相感应 p n 2 0 i g b t电机最大转 电机 t m a x 4 7 5 n m 速1 5 0 0 r p m b m we v l 2 个b d c m p m a x 7 0i g 盯或 p n 3 2m o s f e t r 1 4 l z a 轿卟 4 个b d c mp n 6 8g t r 电机最大转速 l j j 肆 1 5 4 0 n m 表卜2 美国通用公司对各类电机的评价 直流电机永磁无刷直流电机 开关磁阻电机 感应电机 培高效率 8 5 8 99 5 9 7 9 09 1 9 4 1 0 负载时敬 8 0 8 7 3 8 29 3 9 4 墙i 茼转速 r p r a 4 0 0 0 6 0 0 04 0 0 0 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 以上9 0 0 0 1 5 0 0 0 成奉 单位轴功率2 0 3 05 2 0 2 7 5 5 美圆 k w 配套控制器1 3 7 6 04 1 02 5 3 0 相对成本 电机牢靠性好 尚可优优 表l 一3 丰田公司对电动车用电机的评价 直温电机感应电机 永戳同步电机 摊制悱很好 好很好 口j 鼎性 一般根好好 效率 一般好 很好 体积一般好 报好 成本很好好 一般 l bi 表可以看出针对目前的技术状况交流感应电动机的综合性能要优于其他 类型的电机 这也是本论文为何选用交流感应电动机做研究对象的原因 武汉理工大学硕士学位 第2 章交流调速的脉宽调制 p w m 控制技术n 2 h 例 所谓交流调速的脉宽调制 p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p i l l 技术是指利用全控 掣电力电子器件 i g b t i g c t i g e t s g c t 的导通和关断把直流电压变成一定 形状的电压脉冲序列 实现变压 变频控制并且消除谐波的技术 简称p 1 v m 1 9 6 4 年 德国的a s c h o n u n g 等人率先提出脉宽调制变频的思想 他们把通信 系统中的调制技术推广应用于变频调速中 为现代化交流调速技术的发展和实用 化开辟新的通路 3 0 多年来 p i n 控制技术经历了一个不断创新和完善的过程 目前p w m 技术已经广泛应用到变频调速系统中 利用微处理器实现p r i m 后 p w m 技术不断优化和翻新 从追求电压波形正弦 到电流波形正弦 再到磁通波 形 f 弦 从效率最优 转矩脉动最小 再到消除谐波脉动噪声等 变频调速系统采用p v m 技术不仅能够及时 准确的实现变压变频控制要求 f u l 更重要的意义是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量 从而降低或消除 变频润速时电机的转矩脉动 提高了电机的工作效率 扩大了调速系统的调速范 i1 l m 实际工程中主要采用的p w m 技术是正弦p v m s p 删 这是因为变频器 输出的电压或电流波形更接近于正弦波形 s p w m 方案多种多样 归纳起来分为 电压讵弦p w m 电流正弦p w m 和磁通正弦p w m 等三种基本类型 其中电压正弦p w m 和电流正弦p w m 是从电源角度出发的s p w m 磁通正弦p w m 也称电压空间适量p w m 是从电机角度出发的s p w m 本章介绍电压正弦p 硎和磁通正弦p w m 2 1 电压正弦p w m 法 图2 1 顾名思义 电压s p w m 技术就是希 望逆变器输出电压是正弦波形 其含义 是通过调节脉冲宽度 脉冲占空比 来 调节平均电压的方法 2 1 1 电压正弦p w m 的基本思想 对于电压正弦p w m 来说 可把电 压正弦半波分n 等份 如图2 1 然后 把每一份的正弦曲线与横轴所包围的面 积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替 矩形脉冲的中点与正弦波每一 等份的中点重合如图 这样 由n 个等幅值而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就 吼f 弦波的半周等效 同样正弦波的负半周也可以用同样的办法来等效 图2 一l 南旧洲瑚吲阻 囱国 国 垦 豳国 亩驯塌吲阻 所示的 系列等幅值且不等宽的矩形脉冲波形 就是所希望逆变器输出的s p t r o i 波形 由于每个脉冲的幅值相等 所以逆变器就可以由恒定的直流电源供电 也 就是浇 这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器即可 当逆 变器各功率丌关器件都是在理想的状态下工作时 驱动相应功率开关器件的信号 也j 为r j 图形状一致的一系列脉冲波形 这一系列脉冲波形的宽度可咀严格的用 i 钾山法求得 作为控制逆变器中各功率开关器件通断的依据 但较为使用的方 胜采用 调制 的方法 以希望的波形 在这里是正弦波 作为调制波 而受它 渊制的信号成为载波 在 p w m 中常用等腰三角波作为载波 因为等腰三角形是 l f 宽度线性对称变化的波形 当它与一个正弦波曲线相交时 在交点的时刻产 生控制信号 用来控制功率开关器件的通断 就可以得到一组等幅值而脉冲宽度 i f 比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲 这就是s p w i i l i 的基本思想 2 1 2 电压正弦p w m 的工作原理 图2 2 是s p w m 变频器的主电路 图中v t 卜v t 6 是6 个i g b t 功率开关器件 汁 苦1 站 1 几几n i j l l 一 j 牛 膝 上 一 i r l j 各有一个续流二极管反并联连 接 逆变器所需要的定值直流电 压由三相整流器提供 图2 3 是 它的控制电路 由参考信号发生 器提供一组三相对称可调正弦 参考电压信号um a u m b u m c 其频率决定逆变器输出的基波 频率 参考信号的幅值也可以在 一定范围内变化 以决定图2 2 图2 2 变频器的主电路s p w m 变频器的主电路压的大小 三角波载波信号u c 是共用的 分别与每相参考电压比较后 给出 正 或 零 b i 控 电奠鼍鼠 1 4 的饱和输出 产生s p w m 脉 冲序列波u d a u d b u d c 作为逆变器功率开关器件的 控制信号 为了方便分析 设功率开关器件为理想开 关 因而当逆变器任一相功 率开关器件导通时 电机绕 组上所获得的对直流电源假 亟婆婆王查堂翌主堂垒一 图2 3s p w m 变频器的控制电路 想中点0 i u d 2 或 u d 2 改变参考信号u m 的幅值时 脉宽随之改变 从而改变了逆变器输出的电压 大小 当改变u m 的频率时 输出电压频率也随之改变 但一般情况下参考信号 u m 的最大幅值必须小于三角波幅值 否则输出电压的大小和频率将失去所要求 的配合关系 图2 4 是单极性脉宽调制的原理图 棚 相 c 佰 号 闭丽闹f 必幽矿 图2 4 单极性脉宽调制波形 武汉理工大学硕士学位 2 1 3 正弦波脉宽调制 p w m 信号的调制方式 在s p w m 逆变器中 载波频率正与调制波频率 嗣 即逆变器输出的基波频率 正 之比 t n c m 7 么 2 1 m 称为载波比 也称调制比 对于单极性调制而言 由于一周期内有2 n 个脉冲 则n c m 2 n 而双极性调制由于一个周期内有n 个脉冲 则n c m n 根据载波比的 变化与否 s p w m 逆变器可以有同步调制和异步调锘8 两种调制方式 而为了使输 出波形保持三相对称且谐波少 可采用同步调制与异步调制相结合的分段同步调 制 a 同步调制 载波比n c m 等于常数 即在变频时使载波信号的频率与调制波信号的频率保 持同步变化的调制方式称为同步调制 在该调制方式