（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的电动汽车用交流电机直接转矩控制器的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l eu s e se l e c t r i c i t ya si t s e n e r g ys o u r c e s oe l e c t r i cv e h i c l eg i v e si t s p r o m i n e n ta d v a n t a g e s t o z e r o l e t n o n p o l l u t i o n f o r e g r o u n d o f d e v e l o p i n g r e s e a r c h i n ge l e c t r i c v e h i c l ei s q u i t ea m p l i t u d e t h eh a r d c o r eo fs y s t e mo fe l e c t r i c v e h i c l ei sd r i v ea n dc o n t r o lo fm o t o r d i r e c tt o r q u ec o n t r o l d t c o fi n d u c t i o nm o t o r b a s e do nd s pi sn e w t e c h n o l o g yo fh i g hp e r f o r m a n c ea c f r e q u e n c yc o n v e r s i o n 一r a t e o f r e g u l a t i o n t h et h e s i sa n a l y s e sd r i v es y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o ra te l e c t r i ca u t o m o b i l eb a s e d o nd t c as u i to fs y s t e mo fi n d u c t i o nm o m ri sd e s i g n e dc o r e da r o u n dd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r d s p c o m b i n e d i mf a c t u a lc o m p l e x i o n o fe l e c t r i cv e h i c l e t h es t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c eo fs y s t e m i s p r i m a r i l yd i s c u s s e da n da n a l y z e d c o n t c n to fr e s e a r c h i s e x p o u n d e d a sf o l l o w s a c c o r d i n gt op e r f o r m a n c ei n d e xn e e d e db ye l e c t r i cv e h i c l e t h et h e s i sa n a l y s e s d r i v es y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l ea n da d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fa l lk i n d so fm o t o r f u r t h e r e x p o u n d s s t a t u sa n d d e v e l o p m e n t o fa c f r e q u e n c yc o n v e r s i o n 一r a t eo f r e g u l a t i o n k e y s t o n ea n da r i t h m e t i co fd t c a r ea n a l y z e db yt h ew a yo f s p a c ev o l t a g e v e c t o r t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e sc a l c u l a t i o no fd r i v ea n dp o w e ro fi n d u c t i o nm o t o r m a g n e t i cc h a i na n dc o n t r o la r i t h m e t i ci nd i f f e r e n t r a t es c o p eo fm o t o ri sa n a l y z e dt om e e t c h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n td r o u g h to fe l e c t r i cv e h i c l e c o m b i n e dw i t hn c t u a lr e q u i r e m e n t o fe l e c t r i cv e h i c l e c o n t r o lo fd i f f e r e n ts p e e dg e a r sa n da c c e l e r a t o ri n p u ta r er e a l i z e d i n t i m a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h ee n v i r o n m e n to f a t l a bt ov a l i d a t et h e s ec o n t r o l a r i t h m e t i c t h e s y s t e m o fd t cc o n t r o l s y s t e m i sm a d e u p o fc i r c u i tc o r e da r o u n d d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a n d c i r c u i tc o r e da r o u n di p m w h i c hr e a l i z e sf u n c t i o no f g i v e n s p e e dg e a r g i v e na c c e l e r a t o r d e t e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o n n l ee x p e r i m e n t a ls y s t e m u s e si n t r o d u c t i o nm o t o ra sc o n t r o lo b j e c t e x p e r i m e n t a t i o nv a l i d a t e sc r e d i b i l i t yo ft h e s y s t e r n s o f t w a r eo f s y s t e m i s d e s i g n e d 粥f o l l o w s m o d u l e s o f i n i t i a l i z a t i o n g e a r a c c e l e r a t o r s a m p l i n g s p e e d m e a s u r e m e n tc o m m u n i c a t i o ne t ca r er e a l i z e d b y p r o g r a m m i n gm i n g l e dcl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g e 僵e ng i v e ng e a r1 s o f t w a r e a d o p t s f 一 zm a g n e t i cc h a i nm o d u l e w h e n g i v e n g e a r2 s o f t w a r e a d o p t s u f m a g n e t i cc h a i nm o d u l e w h e ng i v e ng e a rf u l ls p e e d s s o f t w a r ea d o p t s 一n m a g n e t i c i i 武汉理工大学硕士学位论文 c h a i nm o d u l e c o n t r o ls t r a t e g yo fd i f f e r e n tm a g n e t i cc h a i nm o d u l es w i t c ha s s u r e st h a t t h e r ei sb i g g i s hf i r s t j u m pt o r q u ea n dc l i m b i n g s l o p ef o re l e c t r i cv e h i c l ew h e ni t k e e p s c o n s t a n tt o r q u es t a t e t h e r ei sb i g g i s hs p e e do u t p u tw h e ni t k e e p sc o n s t a n tp o w e rs t a t e e x p e r i m e n t sp r o v e t h a tt h ew h o l e p r o g r a m m e f u n c t i o n ss t a b l y a c f r e q u e n c yc o n v e r s i o n r a t eo fr e g u l a t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e c o m b i n i n g d t ca n dd s p p e r f e c t l y w i l lh a v e e n o r m o u s p r a c t i c a lv a l u eo fa p p l i c a t i o n k e y w o r d e l e c t r i cv e h i c l e i n d u c t i o nm o t o r d t c d s p m i n g l e dp r o g r a m m e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源和意义 第1 章绪论 本论文的课题来源于国家8 6 3 项目电动汽车开发下的 基于d s p 的电动汽车用 交流电机直接转矩控制器的开发 项目 电动汽车以电能为能源 具有零排放无污染的突出优点 开发前景十分阔 驱动 电机及其控制系统是电动汽车动力系统中的核心部分 早期的电动汽车主要采用直流电机驱动 直流电机存在过载能力小 维护困难 转矩质量比小等缺陷 而交流电机具有体积小 结构简单 坚固耐用 运行可靠 制造成本低 易于维护等优点 交流电机变频调速技术具有优异的起动和调速性能 高效率 高功率因数和节能效果 得到了广泛的使用 本课题希望开发出一种采用 直接转矩控制技术的电机控制器 控制交流电机作为电动汽车的驱动设备 满足其 控制系统对动态性能和静态性能的要求 直接转矩控制发展较晚 大都侧重于系统的介绍及仿真实现 交流电机直接转 矩控制系统作为新一代交流电机调速系统 在理论和应用实践方面 还存在一些问 题 如低速性能不理想 转速 转矩脉动 如何合理的根据实际可能的开关频率和 微机运算速度选择最佳开关状态 以及实现全数字化控制等方面都有不少问题值得 进一步研究和探讨 本文就是在这方面展开工作 1 2 电动汽车驱动系统概述 电动汽车实现零排放 能有效地避免空气污染 电动汽车在车辆性能方面也具 有优势 电动汽车的转矩响应迅速 加速快 比燃油汽车高出2 个数量级 电机可分 散配置 可直接控制车轮转速 易实现四轮独立驱动和四轮转向 由于信息技术和 控制技术的广泛应用 电动汽车的安全性和可靠性大幅提高 电动汽车显示出的优 越性和具有强大的竞争力使之成为2 1 世纪各国政府大力支持发展的交通工具 图1 1 为电动汽车结构原理图 电动汽车配备燃料电池和辅助电池 使用电动机 通过传动系统驱动车辆行驶 正常行驶时 由燃料电池发动机系统输出电能驱动电 动机 电动汽车在下坡 巡航等状态时 燃料电池发动机系统对辅助电池充电 在 启动和爬坡等状态时 使用燃料电池发动机系统和辅助电池同时供电以保证电动机 输出大扭矩 驱动系统由驱动电机及其控制器组成 驱动电机控制器采集档位 油 门信号 经过控制算法输出p w m 信号给功率变换器来驱动电动机运转 武汉理工大学硕士学位论文 燃料电池发动机系坑 图卜1 电动汽车结构原理图 1 2 1 电动汽车对驱动电机的基本要求 电动汽车在运行过程中频繁起动和加减速操作 对驱动系统的要求是很高的 具体有如下要求 1 电动汽车用电动机应具有瞬时功率大 过载能力强 过载3 4 倍 加速性 能好 使用寿命长的特点 2 电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围 包括恒转矩区和恒功率区 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 电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动 将能量回收并反馈 回蓄电池 使得电动汽车具有最佳能量的利用率 4 电动汽车用电动机应在整个运行范围内 具有高的效率 以提高一次充电 的续驶里程 另外还要求电动汽车用电动机可靠性好 能够在较恶劣的环境下长期 工作 结构简单适应大批量生产 运行时噪声低 使用维修方便 价格便宜等 1 2 2 各类电机性能比较 驱动电机及其控制系统是电动汽车动力系统中的核心部分 它的性能直接影响 电动汽车的性能指标 目前 电动汽车用驱动电机主要有直流电动机 感应电动机 永磁无刷电动机和开关磁阻电动机四类 3 1 电动汽车用电机逐渐由直流向交流发展 直流电动机基本上已经被交流电动机 永磁电动机或开关磁阻电动机所取代 各种 电机性能如表卜1 所示 直流电机结构简单 技术成熟 具有交流电动机所不可比拟的优良电磁转矩控制 特性 但是 直流电动机价格高 体积和质量大 在电动汽车上的应用受到了限制 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 各种电机性能比较 4 语趴电机 直流电机交流电机永磁同步电机 i寿命 小时 2 5 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 功率质量比低中高 最高转速 r m i n 6 0 0 02 0 0 0 01 0 0 0 0 过载能力2 倍3 5 倍3 倍 电机效率 7 5 8 5 8 5 9 0 9 2 9 7 坚固性 差很好好 感应电机也是较早用于电动汽车驱动的一种电机 它的调速控制技术比较成熟 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 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 在2 0 世纪9 0 年代以前 主要以p w m 方式实现v f 控制和 转差频率控制 但因转速控制范围小 转矩特性不理想 因此不适合频繁起动 加 减速的电动汽车 近几年来 由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和 直接转矩控制 矢量控制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 从而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 不用速度传感器 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 由于直接转矩的控制手段直 接 结构简单 控制性能优良和动态响应迅速 因此非常适合电动汽车的控制 永磁无刷电动机可分为由方波驱动的无刷直流电动机系统和由正弦波驱动的无 刷直流电动机系统 它们都具有较高的功率密度 其控制方式与感应电机基本相同 这类电机具有较高的能量密度和效率 其体积小 惯性低 响应快 适应于电动汽 车的驱动系统 有极好的应用前景 1 3 交流电机控制系统发展现状和前景 1 3 1 控制用器件 随着功率电子技术和微处理器技术的发展 交流驱动发展趋势为数字化 模块 化 智能化的方向 在功率电子技术方面 功率开关元件的发展己进入于第四阶段 目前大多采用 武汉理工大学硕士学位论文 绝缘栅极晶体管i g b t m o s 控制晶闸管和集成了驱动 自检测 自保护功能的功 率模块i p m 在微处理器技术方面 d s p 开始在交流驱动系统中使用 d s p 芯片品种主要 有t i 公司的t m s 3 2 0 系列 a d 公司的a d s p 2 1 0 0 系列 m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 系列和a t t 公司的d s p 3 2 系列 其中性能比较突出是t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 x x x 系列d s p 它的高速运算能力可实现高效的控制算法 并且片内集成了用于电机控 制的外围电路 为采用新的控制策略提供了有效的硬件环境 1 3 2 控制方法 目前对交流电机的调速控制主要有以下几种方法 恒压频比开环控制 v v v f 转差控制 矢量控制 v c 以及直接转矩控制 d t c 恒压频比开环控制控制电机磁通而没有控制电机的转矩 控制性能差 通常只 用于对调速性能要求一般的通用变频器上 转差控制是根据交流电机电磁转矩和转差频率的关系来直接控制电机的转矩 它可以在一定的转差频率范围内通过调节转差来控制电机的电磁转矩 从而改善调 速系统的控制性能 其控制理论是建立在交流电机的稳态数学模型基础上的 适合 于电机转速变化缓慢或者对动态性能要求不高的场合 七十年代中期 德国学者提出 交流电机磁场定向的控制原理 即用矢量变换 的方法研究交流电机的动态控制规律 矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析交 流电机内部的电磁过程 是建立在交流电机的动态数学模型基础上的控制方法 它 模仿对直流电机的控制技术 将交流电机的定子电流解耦成互相独立的产生磁链的 分量和产生转矩的分量 分别控制这两个分量就可以实现对交流电机的磁链控制和 转矩控制的完全解耦 从而达到理想的动态性能 矢量控制使交流传动的动 静态 特性有了显著的改善 开创了交流传动的新纪元 但它本身也存在一定的缺陷 1 转子磁链的准确观测存在一定的难度 转子磁链的计算对电机的参数有较强 的依赖性 因此对参数变化较为敏感 为了克服这一问题 出现了多种参数辨识方 法 但这些方法进一步增加了系统的复杂性 2 由于需要进行解耦运算 采用了矢量旋转交换 系统计算比较复杂 1 9 8 5 年德国学者m d e p e n b r o c k 教授首次提出了磁链采用六边形控制方案的直 接转矩控制理论 随后日本学者也提出了采用圆形磁链的类似控制方案 直接转矩 控制不需要复杂的坐标变换 直接在定子坐标系下计算定子磁链 通过定子磁链和 定子电流计算转矩 通过给定转矩和实际转矩相比较实现转矩的直接控制 同时也 完成了对磁链的控制 由于在计算定子磁链中 只涉及到定子电阻 系统对参数的 依赖性大大降低 因此直接转矩控制从一诞生 就以其新颖的控制思想 简洁明了 4 武汉理工大学硕士学位论文 的系统结构 优良的动静态特性受到普遍的关注并得到迅速的发展 近几年 电机及驱动系统方案走入多极化 智能控制开始进入电机控制领域 变结构控制 模糊控制 神经网络 自适应控制 专家系统 遗传算法等非线性智 能控制技术 都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统 它们的应用将使系 统结构简单 响应迅速 抗干扰能力强 参数变化具有鲁棒性 可大大提高整个系统 的综合性能 1 4 直接转矩控制的发展现状 直接转矩控制自出现以来 得到了迅速的发展 德国学者m d e p e n b r o c k 在提出直接转矩控制理论时 其定子磁链轨迹是按正六 边形运动的 磁链控制环节简单 开关动作次数少 开关损耗也少 但这相当于六 阶梯波逆变器供电交流电机调速系统 电流脉动 转矩脉动 噪音都比较大 束缚 了直接转矩控制带给交流电调速系统所应具有的高性能发挥 为了得到高性能的速 度控制 必须使电机气隙旋转磁场尽可能成为圆形口1 日本的t a k a h a s h i 等人在1 9 8 6 年提出定子磁链轨迹近似圆形的直接转矩控制方法 通过实时计算得到的磁链和转 矩与给定值做比较 根据磁链所处位置来选择相应的电压开关矢量 采用这种控制 方法 开关周期是随机变化的 而电机的损耗 转矩的脉动和噪声最小 但系统在 1 6 周期中都要交替使用两种开关工作状态 两个工作电压矢量 所以开关次数比 较多 开关损耗比六边形法略大1 9 在现代交流传动中为达到高精度转速闭环控制 速度传感器是必不可少的 但 速度传感器存在易损坏 难安装等问题 很多学者开展了无速度传感器交流调速系 统的研究 但大都侧重于在矢量控制中的应用 主要是对滑差的求取 也有学者用 卡尔曼滤波器和模型参考自适应等方法估算交流电机转速 并在矢量控制中应用 国内学者已提出一些解决转矩脉动的方法 一种方法是提高低速下的开关频率 可以降低转矩脉动 同时也可以降低噪声 其实现方法是在传统的直接转矩控制输 出基础上注入高频抖动的方法来提高开关频率 1 1 第二种方法是在开关选择表与 逆变器之间引入模糊估计器 该估计器利用模糊的方法估计一个控制周期内非零电 压矢量作用时间 剩余的时间采用零电压矢量 这种方法原理简单 没有增加成本 但是 由于该算法计算量大 控制结果并不理想 直接转矩控制作为继矢量控制之后一种新兴的 更先进的技术 需要各种先进 的辅助技术作支撑 各种新技术的推广应用将给直接转矩控制技术注入新的活力 促进它的不断完善和发展 本论文就是展开电动汽车高性能交流电机的直接转矩控 制方案和策略的研究 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 主要研究内容 本论文的主要研究内容是整个系统的软硬件设计和实现 概括起来有以下几点 1 研究电动汽车驱动力和相应驱动电机功率的计算 根据电力机车的牵引特性 分析电动汽车在不同速度范围采用的磁链模型和控制算法的改进 完成驱动电机控 制策略的研究 在m a t l a b 环境中建立仿真系统 验证控制策略的控制效果 2 研究交流电机直接转矩控制系统的硬件控制系统 讨论各模块的结构及功能 研究整车及能量流管理控制系统 基于数字信号处理器 d s p 设计并实现其控制器 的硬件系统 完成调试工作 3 完成控制系统软件的研究与实现 基于d s p 开发平台 搭建完善的控制框 架 运用c 语言和汇编语言混合编程 实现整个软件系统 完成整个软件系统的联 调工作 每一个模块部分的内容互相独立 便于程序的编写和调试 本文的体系结构如图卜2 所示 图l 2 本文研究的体系结构 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章直接转矩控制的模型分析 2 1 交流电机数学模型 数学模型能够描述实际系统各物理量之间的关系和性能 是被描述系统的近似 模拟 交流电机的数学模型认识 分析电机的运动规律和各变量问的因果或定量关 系 是对交流电机进行控制的理论基础吡1 交流电动机是一个高阶 强耦合的多变量非线性系统 为方便进行讨论 对交 流电机的数学模型作如下假设 1 电动机磁路是线性的 不考虑磁饱和的影响 2 相绕组在结构上完全相同 在空间上互差1 2 0 电角度 忽略齿槽影响 每 相绕组所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布 3 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响 本节根据电机统一理论 从交流电机的基本数学模型出发 分析在直接转矩控 制中所采用的交流电机空间矢量等效电路及其数学模型的基本方程 本文中使用的 电机模型是交流电动机在a 一 坐标系下的数学模型 包括电压模型 磁链模型和转 矩方程 2 1 1 电压方程 考虑研究对象为鼠笼电机 其转子电压为o 将经过坐标变换后的交流电机的 电压方程写成矩阵形式 2 f 庙 o o r l p o p 0 0 i 0 r 5 l s p 0 l m p i m 厶p帆b 鸠峥 一础 上 p c o l r 三 p j l f p 式中h i f 自分别为定子口 b 轴的电压 电流 i i 口分别为转子口 b 轴的电流 r 足分别为定子 转子绕组电阻 上 三 分别为定子 转子绕组的电感 上 为定转子绕组的互感 2 1 2 磁链方程 将经过坐标变换后的交流电机的磁链方程写成矩阵形式 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 毕西 西 t0 三 0 l 0 l 0l 0 l 0 2 2 式中的y y 西 y 序分别为定子 转予绕组的d b 轴磁链 2 1 3 转矩方程 交流电机在5 坐标系下的转矩方程为 t e y f 加一 声0 2 3 式中 r e 为电动机的电磁转矩 为电动机的极对数 转子的运动方程为 t e 一刀 i d o 2 4 出 式中刀为负载转矩 j 为转动惯量 2 2 逆变器的数学模型和空间电压矢量 图2 一l 电压型逆理想变器示意图 a 直接转矩控制一般采用三相二点式电压型逆变器向交流电机供电 通过不断切 换电压型逆变器的开关状态 使电机定子磁链逼近圆形 通过零电压矢量的穿插调 节来改变转差频率 控制电机的转矩 如图2 1 所示 电压型逆变器由三组六个开 关 s s 最 咒 s s 组成 其中对应的上下臂互为反向 即一个接通 另一个关断 所以三组开关有2 3 8 种开关组合 若规定a b c 三相负载的某一 相与 极接通时 该相的开关状态为 l 态 反之 与 一 极接通时为 0 0 0 咯 丌ojiijiii儿 o 0 0 t 武汉理工大学硕士学位论文 态 则8 种可能的开关组合状态见表2 1 表2 1 逆变器的8 种开关 开关状态 o1234 567 s 0l01o1 01 s 6 0o11oo1l s 00o011 1l 根据三组开关的不同导通模式 采用p a r k 变换 电动机输入电压的空间矢量可 表示为 0 厨磊瓦刁 2 5 由此可以看出 空间电压矢量与电机的中性点电压无关 只与三相桥臂的开关 状态有关 从几何意义上讲 空间合成矢量 在某相轴线上的投影就是该时刻该 物理量的瞬时值 电压型逆变器的8 个基本电压矢量如图2 2 所示 v 3 0 1 1 图2 2 电压空间矢量图 其中v 0 状态和v 7 状态表示三相上或下桥臂同时导通 相当于将电机定子三相 绕组短接 称为零矢量 其余6 个为非零空间矢量 这6 个非零矢鼍均匀分布在 口一卢 坐标平面上 彼此相差6 0 0 幅值均为据 v3 逆变器模型是基于逆变器的电压状态与逆变器的开关状态和直流电压日之间的 关系得到的 逆变器的每个电压状态和 的关系见表2 2 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 逆变器的电压状态与定子电压分量 定子电压分量 电压状态 口 口 2 v 1 j d 0 1 v 2 一j d一万蚴 v 3 弘1 1 一西 2 v 4 j j 0 1 1 v 5 j 蜥 西 一 1 v 6 一i d i d u j v 0 f v 7 0 0 2 3 磁链模型和转矩模型 2 3 1 磁链模型 交流电机磁链模型目前主要有三种 即甜一i 模型 i 一 模型和 一玎模型 1 一i 模型 根据公式2 6 来计算定子磁链的方法叫甜一i 模型法 虬o 弛 r 一i o 冰 2 6 可见 计算定子磁链唯一所需要了解的电动机参数是易于测量的定子电阻r 所需的定子电压 和定子电流 同样是易于确定的物理量 电机在高速时 特别是在3 0 额定转速以上时 由于电流和电阻的乘积在整个 积分项中所占比例很小 采用 一f 模型可达到很高的精度 电机在低速时 由于电 流测量以及电阻发生变化造成的误差使得磁链计算误差比较大 所以在3 0 额定转 速以上可以采用 一f 模型法 该方法结构简单 精度高 优于其他方法 4 1 2 卜 模型 武汉理工大学硕士学位论文 电机在3 0 额定转速以下范围内 磁链只能根据转速来精确测量 由定子电流 与转速来确定定子磁链的方法称为i n 模型法 它根据以下方程组建立 2 去咄 a 上 2 7 孚 一 一出 巾 u d 5 壶 l 2 8 y 巾 孚 加一 啊 一出 d 与 一i 模型相比 i 一 模型中不出现定子电阻月 即不受到定子电阻变化的影 响 但是i n 模型受电机参数 特别是转子时间常数的影响 需要准确测定转速 c o 的测量误差对i n 模型的结果影响较大 对于 一i 模型和i 一 模型的应用必须采取合理的安排 应该对于不同的转速范 围采取不同的磁链模型 一般说来 高速时采用 一i 模型 因为 一i 模型简单 精 度高 受参数影响小 而低速时采用i 一 模型 这是因为低速时由于尺 的影响 一i 模型已经不能正确的工作 将3 0 额定转速定为为切换点 高于3 0 额定转速时用 一f 模型 低于3 0 额定转速时 用准确f h 模型 但由 一i 模型向f h 模型切换 时 快速平滑切换的困难使得这种解决方法在实际应用中比较困难 3 u 一竹模型 一 模型由定子电压和转速来获得定予磁链 它综合了 一f 模型和i n 模型的 特点 所用到的数学方程式如下 转子方程为 d 孚眠一y y 2 9 k 定子方程为 帆 一i r 2 1 0 磁链方程为 武汉理工大学硕士学位论文 一 2 1 1 2 虬一l c i r 一 模型综合了 一i 模型和i n 模型的优点 又解决了切换问题 高速时 电 动机模型实际工作在 一i 模型下 磁链只是由定子电压与定予电流计算得到 转速 测量误差以及电动机参数误差引起的磁链误差在这个工作范围内将不在有意义 低 速时 电动机模型实际工作在i i 1 模型下 降低了定子电阻误差 2 3 2 转矩模型 对电机输出转矩进行直接控制是控制系统获得高动态性能的关键 在直接转矩 控制中 需要实测电磁转矩r 作为反馈量 直接测量电磁转矩在技术上存在一定的 难度 为此 在控制中一般采用间接法求电磁转矩 一般根据公式 2 一1 2 由定子电 流i 及定子磁链妒 来计算电动机的电磁转矩r o 吾砂 固 3 g a i s p s p i s a 2 1 2 知道了定子磁链和定子电流在口 口坐标系中的分量时 根据上式就可以计算出 电动机的电磁转矩n 将此值作为反馈值参与控制 4 1 2 4 直接转矩控制的控制策略 下面首先介绍一下交流电机数学模型和电压空间矢量的概念 然后对直接转矩 控制的每一部分逐一介绍 在定子坐标系中 定子磁链与转子磁链的空阅矢量如图2 3 所示 其中0 为磁 通角 图2 3 定子磁链和转子磁链示意图 根据交流电机数学公式 转矩可表示为 z 昙陟 j f 研i s j n 口 2 1 3 z 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 转矩的大小与定子磁链幅值 转子磁链幅值和磁通角臼 f 的乘积成正比 在实 际运行中 为了充分利用电动机铁心 需要保持定子磁链幅值为额定磁链值 转子 磁链幅值由负载决定 转子磁链的旋转角速度不会突变 可见 要改变交流电机的 转矩可通过改变磁通角口 r 来实现 因此 可通过控制电压空间矢量 f 来控制定 子磁链的旋转角速度 控制定子磁链走走停停 以改变定予磁链的平均旋转速度 直接转矩控制的基本思想就是根据定子磁链的幅值 空间位置以及电磁转矩的大小 从8 个基本电压矢量中选择一个最佳的控制矢量 使电机运行在期望状态 下面来 分析磁通和转矩的控制原理 2 4 1 磁链调节器 i1 也 1 一 图2 4 磁链两点式调节器 磁链调节器是把磁链给定值与根据电机模型计算而得的实际磁链信号进行比 较 把定子磁链限制在预定的误差范围内 磁链控制的目的是使磁链矢量的轨迹为 圆形 磁链调节器实际上是一个施密特触发器 对磁链幅值进行两点式调节 如图 2 4 这里的容差宽度是 s 它是定子磁链幅值对与给定值 所允许的波动范围 磁链调节器的输入信号是磁链给定值 与磁链量反馈值 之差 其输出值是磁链 量给定信号帕 若对交流电机施加非零的电压矢量 则磁通的运行方向和幅值将发生变化 而 采用零电压矢量 则定子磁链停止移动 详细的结论有 1 若改变有效电压矢量交替作用的时间 即改变帆的旋转速度 由于有效电压 矢量的幅值是不变的 所以它们的作用时间改变后正六边形的面积将会发生变化 作用时间变短 面积将变小 磁链矢量的幅值也将变小 用这种方法可以控制交流 电动机的弱磁升速 实现恒功率调速 2 若在有效电压矢量作用期间以一定的规律插入零矢量 v 0 或v 7 使有效电压 矢量作用时 l f 以最大旋转速度旋转 零矢量作用时 i f f 停止不动 由于零矢量的 插入 y 走走停停 旋转速度变慢 显然 零矢量的作用时间愈长 y 的旋转速度 将愈慢 如果在插入零矢量后仍保持每个有效矢量的作用总时间不变 那么六边形 武汉理工大学硕士学位论文 的面积将不变 即磁链矢量的幅值将不变 用这种方法可以控制交流电机的恒磁通 调速 即恒转矩调速呻 2 4 2 转矩调节器 一4 图2 5 转矩两点式调节器 转矩调节的任务是实现对转矩的直接控制 其功能包括 用转矩两点式调节器 直接调节转矩 在调节转矩的同时 控制定子磁链的旋转方向 以加快调节速度 转 矩调节器的结构采用施密特触发器 具体如图2 5 所示 转矩调节器的输出为丁9 容差为占 输入 输出关系为 f l 托 s r t q 不变 一s a i r e c 当t e 时 电动汽车等速行驶 匀速 当t b r 时 电动汽车既可加速行 也可爬坡 驱动力f 取决于电动机的输出转矩r 电动机到车轮的传动比f 车轮滚动半径 靠和电动机转速 只 三 3 4 n 将电动机的机械特性换算成车速与作用在车轮上的驱动功率关系曲线 同时将 电动汽车的行驶特性置于同一坐标 则两条特性曲线的交点对应的车速为电动汽车 武汉理工大学硕士学位论文 的最大行驶速度 如图3 1 所示 p 3 1 2 驱动电机的驱动功率 图3 1 功率速度曲线图 易 鲁 寺 哪e 哪肚寺 弓哪只坳 3 5 叩卵 刁 式中 凡 驱动电机输出功率 辟 电动汽车行驶驱动功率 玎一传动系统效率 可见 驱动电机功率的确定是先根据车辆的总质量 最大运行速度 迎风阻力系 数进行初步的估算 然后再根据电动机输出功率特性进行最大速度 加速度和爬坡 度的计算校核 电动汽车最大车速是驱动电机连续输出功率与阻力功率曲线的交点 3 2 电动汽车用交流电机直接转矩控制 3 2 1 电动汽车的牵引特性 对交流传动的电力机车来说 它的牵引特性包括以下两个部分 恒力矩区和恒 功率区 从零速到额定转速 基速 之间是恒力矩区 包括启动过程 低速运行过 程 高速过程 从基速到最大速度之间是恒功率区 在恒功率区要削弱磁场运行 它的特性线如图3 2 所示 横坐标是转速 6 是基速 是最大速度 根据上述电力机车的牵引特性 直接转矩控制的交流传动系统在全速范围内需 要采用不同的控制策略 现分别加以介绍 武汉理工大学硕士学位论文 n b 1 1 m a x 图3 2 交流传动机车的牵引特性 3 2 2 电动汽车的交流电机直接转矩控制策略 1 低速范围 在低转速范围内定子磁链选择圆形轨迹 因为在牵引领域 起动转矩要求很大 因而需要很高的磁通 在相同开关频率时由圆形轨迹得到的磁通基波比六边形轨迹 大1 0 左右 所以 低速下需要采用圆形轨迹从而提高磁通 磁通模型可选择f t 7 模 型 2 高速范围 高速范围是指从3 0 至1 0 0 额定转速之间的转速范围 在此范围内采用六边形 磁链 磁链模型选择材一 模型 结合定子的电流和转子的转速得到定予磁链和电磁 转矩 3 弱磁范围 电动汽车在道路条件很好的情况下可能加速到驱动电机的额定转速以上 为了 应付此种情况 我们必须设计在弱磁范围内的控制方案 弱磁范围内 进行的是恒 功率调节 其特点是 转速的改变是通过磁链给定值的变化来实现 减少磁链给定 值时将加快空间矢量的旋转从而提高转速 反之则降低转速 弱磁范围内转矩的调 节是通过六边形磁链给定值的动态变化来完成的 3 2 3 电动汽车的交流电机直接转矩控制的改进 在传统的直接转矩控制方法中 电机速度作闭环控制 电机给定转矩是电机实 时速度经过p i 调节器给定的 在电动汽车驾驶中 驾驶员通过油门直接控制档位 速度通过仪表来显示 因此 在电动汽车驱动系统设计中可舍去速度闭环控制 但 为了防止电机飞车 可通过设定速度上限来保护 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 电动汽车用交流电机直接转矩控制的仿真实现 3 3 1m a t l a b s l b l u lj n k 仿真软件介绍 m a t l a b s i m u l i n k 是一个用来对动态系统进行建模仿真和分析的软件包 它 支持连续 离散及两者混合的线性和非线性系统 也支持多种采样速率的系统 它 提供丰富的模型库供构造完整的系统使用 m a t l a b s i m u l i n k 是开放的编程环境 它允许用户开发自己所需的模型 通 过组成封装扩充现有的模型库 建立自己的模型库的方法有 1 1 利用s i m u l i n k 提供的模型组合成新模型 2 使用m a t l a bf u n c t i o n 模型调用m a t l a b 函数 适合于构造y f x 型 的函数 f 3 1 通过s f u n c t i o n 模型构造 适合于解决微积分方程 其中方法 1 2 适合于构造简单的模型 而方法 3 可用于构造复杂的模型 它按 标准的d x d t a x b u 的形式编程 可构造多输入 多输出 非线性 强耦合的复 杂多变量系统 编程方式灵活 简洁 计算速度较快 本文中开关信号的产生模型 等均是用此方法构造的 s i m u l i n k 是m a t l a b 语言的扩展 s i m u l i n k 是基于w i n d o w s 环境下对动态系统进 行建模 仿真和分析的软件包 它为用户提供了方框图进行建模的图形接口 从而 比通常用微分方程和差分方程建模的软件有极方便灵活和直观的优点 2 2 2 3 3 2 直接转矩控制系统的仿真 本文在前述交流电机数学模型基础上利用m a t l a b 6 4 构造了一个交流电机直 接转矩控制调速系统 并对磁链观测 转矩观测和开关状态等问题进行了仿真研究 从中不仅体会到直接转矩控制的思路和方法 也为后期实际系统的硬件设计及软件 编程提供依据 仿真系统框图如图3 3 所示 仿真系统包括坐标变化模块 磁链模块 转矩观 测器模块 磁链区间判断 磁链迟滞比较器模型 其中磁链模块采用i 一 磁链模型 和h i 磁链模型切换方式 设定切换时间为电机转速达到3 0 额定转速时 仿真系 统控制周期为4 0 0 u s 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3 仿真系统框图 1 坐标变换 在直接转矩控制中 需要把电压电流信号由三相坐标转换到矿一 坐标 系 变换公式为 l 矗iv 1 2 2 i i d 7 详细变换见图3 4 图3 4 坐标变化仿真模型 3 6 3 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 一i 模型磁链模型 由式 2 6 磁链方程可得定子 一i 磁链模型 如图3 5 所示 在高速时 特别是 在3 0 9 6 额定转速以上时 由于电流和电阻的乘积在整个积分项中所占比例很小 采 用u j 模型可达到很高的精度 在3 0 额定转速以下时 采用i 一 磁链模型 图3 5 磁链 一i 模型仿真模型 3 转矩观测器 由式 2 3 转矩方程可得转矩模型 如图3 6 所示 图3 6 转矩模型仿真模型 4 定子磁链区间判断 磁链迟滞比较器模型 本仿真采用了磁链位置检测和滞环控制技术 首先 根据实测的定予磁链转换 成复数形式 可得该磁链所处的区域 再经过滞环控制器将定子磁链给定值与反馈 值进行比较 所得结果与转矩调节器的输出相结合 最终查表所示开关状态表 得 到该时刻作用于电机的空间电压矢量 3 3 3 仿真结果分析 仿真使用的参数 三相交流电机 转子为y 型连接 额定功率为2 2 k w 额定 电压为3 8 0 v 额定频率5 0 h z 额定转矩t n 5 0 n m 额定磁通o 7 w b 定子电阻 武汉理工大学硕士学位论文 r 2 7 5 2 q 转子电阻r 3 1 6 5 2 q 定子电感l s 0 3 1 5 h 转子电感l 0 3 4 2 h 互感l m o 3 5 0 h j 0 0 2 6 3 1 定子磁链轨迹仿真结果 图3 7 定子磁链轨迹 图3 7 反映了定子磁链轨迹 启动过程基本为六边形轨迹 但是很快就进入了 圆形轨迹 但是定子磁链的运行轨迹存在明显的畸变 这种畸变反映到定子电流上 就是定子电流的畸变 这样必然会对系统性能产生不良的影响 缎放大图 b 段放大图 图3 8 电机带负载启动仿真结果 武汉理工大学硕士学位论文 图3 8 为电机带负载启动过程的仿真结果 分别给出了交流电机三相a 相电流 转速响应以及转矩相应 从图中可以看出系统并不是从零时刻开始起动 而是有一 个延时 在这之前实际上是定子磁链的建立过程 从图中可以看出初始定子磁链的 建立很重要 只有当定子磁链达到给定值后 系统才投入正常运行过程 从仿真结果可以看出 l 在图3 8 中 如a 段所示 电机在低速时 由于定子电阻对定子磁通的影 响 定子电流的正弦性不好 如b 段所示 电机升至高速时 定子电阻影响减小 定子电流呈正弦波形 2 转速的响应时间大约为1 7 s 动态响应比较快 见图3 8 中 3 由于本转矩控制仿真中采用的控制周期为4 0 0 u s 造成开关元件频率低而引 起的转矩脉动较大 详见图3 8 中 可见 在实际控制系统中应尽可能的提高控 制周期 3 4 本章小结 在本章中 介绍了电动汽车驱动力和相应驱动电机功率的计算 电动汽车在不 同速度范围采用的磁链模型和控制算法的改进 接着 在m a t l a b 环境中建立了仿真 系统以验证这些控制算法 通过对仿真模块的搭建进一步剖析了直接转矩控制系统 内部主要功能模块的原理及实现方法 不仅为后面的模块化软件编程提供合理参考 同时也有助于从中总结出该系统的整体流程结构 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章基于d s p 的控制系统硬件设计 随着电力电子技术和微处理器技术的发展 出现了各种高性能微控制器 特别 是高速数字信号处理器 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 的出现 使研制全数 字化的高性能直接转矩驱动系统成为现实 2 t i 公司1 9 9 7 年推出的t m s 3 2 0 c 2 x x x 系列d s p 集成了电机控制系统的外围设 备 具有高速的计算处理能力和强大的控制功能 非常