（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的电动汽车交流驱动电机矢量控制研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国汽车保有量的增长 传统汽车燃料的供需矛盾越来越突出 燃料 电池电动汽车具有零排放无污染的突出优点 是治理汽车尾气污染的根本出路和 最现实的措施 开发前景十分广阔 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 异步电机以其体积小 维护简单 可靠性高等优点在电动汽 车中得到了最为广泛的应用 本文主要研究电动汽车交流驱动控制系统 以高 性能的嵌入式微处理器为核心 采用异步电机矢量控制算法 设计了一种基于 d s p 的电动汽车交流驱动电机控制器 主要研究内容如下 在分析异步电动机数学模型 综述矢量控制理论及其解耦性质的基础上 将异步电动机三相静止坐标系下的各变量变换到两相旋转坐标系下 再利用转 子磁场定向技术 使得定予绕组电流磁场分量和转矩分量得到解耦 从而 异 步电机的调速性能大大提高 另外 结合电流模型法给出了矢量控制系统结构 框图 为构建s v p w m 矢量控制系统平台提供了理论依据 研究了电动汽车驱动力和相应驱动电机功率的计算 并结合电动汽车的实 际要求 实现了高 中 低 空 倒五个速度挡位控制及油门输入控制 在m a t l a b 环境中建立了仿真系统 验证这些控制算法 取得了较好的效果 以一台2 2 k w 鼠笼式异步电机作控制对象 设计了电动汽车用交流电机矢量 控制系统 该系统由以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 为核心的弱电电路和以i p m 模块 为主的强电电路组成 完成档位 油门给定 检测和通讯等模块设计 并使该 硬件系统具有一定的抗干扰能力 进行了交流电机控制实验 试验结果验证了 硬件电路的可靠性 利用t i 公司的c c s 编译环境 采用c 语言与汇编语言混合编程实现了电动汽 车交流驱动系统矢量控制算法 并且进行编译调试 验证了电压计算 转子磁 链观测以及s v p w m 输出等子程序的正确性 通过对电动汽车交流电机驱动系统的研究 将矢量控制方案与d s p 控制技术 有机的结合 实现了全数字化的电动汽车矢量控制系统 通过实验表明了该系 统的有效性和实用性 关键词 电动汽车 交流电机 矢量控制 d s p 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gq u a n t i t yo fo u rc o u n t r y sv e h i c l e c o n t r a d i c t i o ni ns u p p l y a n dd e m a n do ft r a d i t i o n a lv e h i c l e sf u e lb e c o m e sm o r eo b v i o u s e l e c t r i cv e h i c i e e v u s e se l e c t r i c i t ya si t se n e r g ys o u r c e s oe v g i v e si t sp r o m i n e n ta d v a n t a g e st oz 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 do fd 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 cv e h i c l ei sq u i t e a m p l i t u d e t h eh a r d g o r eo fs y s t e mo fe vi sd r i v ea n d c o n t r o lo fm o t o li n d u c t i o n m o t o r i m i sw i d e l yu s e di ne vs i n c ei t ss i m p l e rc o n s t r u c t i o n s m a l lm o t o rs i z e l o w m a i n t e n a n c ea n db e t t e rr e l i a b i l i t y t h i sp a p e rs t u d i e st h ed r i v ea n dc o n t r o lo fm o t o ro f e vw h i c hi sw i t l lt h eh i 曲p e r f o r m a n c em i c r o p r o c e s s o ra st h ec o r e i tu t i l i z e st h e v e c t o rc o n t r o lt h e o r y s p e c i a l l y t h ep r o j e c td e v e l o p san e wk i n do fe vd r i v ea n d c o n t r o ls y s t e m m a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n ti sa sb e l l o w s t h ev e c t o rc o n t r o lt h e o r ya n di t sd e c o u p l i n ga r ei n t r o d u c e do nt h ef o u n d a t i o no f t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o r t h ev a r i a b l e si n2 p h a s es t a t i c c o o r d i n a t e sa r ec o n v e r t e di n t ot h ev a r i a b l e si n r o t a t i n g c o o r d i n a t e sa n dt h e c o m p o n e n t sb e t w e e nt o r q u ea n dm a g n e t i cf i e l do fs t a t o rw i n d i n gc u r r e n t a r e d e c o u p l e dw h i c hu s e st h er o t o r f i e l d o r i e n t e dt e c h n o l o g y t h u s t h es p e e dr e g u l a t i n g p e r f o r m a n c eo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o ri si m p r o v e dh i g h l y t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f v e c t o rc o n t r o ls y s t e mw h i c hc o m b i n e st h ec u r r e n tm o d e lo fm o t o ri sg i v e na n d p r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no fv e c t o rc o n t r o ls y s t e mp l a t f o r m 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 b a s e do nt h ef a c t u a lr e q u i r e m e n to fe vc o n t r o l d 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 r i 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 fm a t l a b t ov a l i d a t et h e s ec o n t r o la r i t h m e t i c a2 2 k ws q u i r r e l c a g ei mi su s e dt ov e r i f yo u rm e t h o da n das y s t e mo ff o c c o n t r o li s d e s i g n e d t h es y s t e mi sm a d eu po fc i r c u i tc o r e da r o u n dd s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a n dc 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 fg 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 b ye x p e r i m e n t a t i o n t h e s y s t e mh a sp r o v e di t sg o o da n t i j a m m i n gp e r f o r m a n c ea n dv 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 m t h r o u g ht h ec o m p i l e ds u r r o u n d i n g so fc c s t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fe vi s 武汉理工大学硕士学位论文 r e a l i z e db yp 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 t h es y s t e m p r o v e di t sv a l j d i t yo fs u b p r o g r a m sw h i c hi n c l u d ev o l t a g ec a l c u l a t i o nm o d u l e r o t o r m a g n e t i cc h a i no b s e r v a t i o nm o d u l ea n ds v p w mo u t p u tm o d u l e b yr e s e a r c ho ft h ed r i v i n gs y s t e mo fe v t h et h e s i sc o m b i n et h et e c h n o l o g yo f f o ca n dd s p p e r f e c t l y af u l l0 i g l t a lf o cs y s t e mi sr e a l i z e d t h es y s t e mp r o v e di t s e n o r l l l o u sp r a c t i c a lv a l u eo f a p p l i c a t i o n k e yw 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 f o c d s p 武汉理t 大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 2 1 世纪伊始 世界汽车工业又站在了革命的门槛上 虽然汽车工业是推动 社会现代化进程的重要动力 然而汽车工业的发展也带来了环境污染加重和能 源消耗过多两大问题 电动汽车污染小 噪音小 节约能源 控制和维护简单 较传统燃油汽车有突出的优点 目前由于蓄电池 逆变器等关键部件的价格偏 高致使电动汽车价格高于燃油汽车 但电动汽车运行成本低 从今后的发展和 普及推广考虑 其价格将会明显降低 因此电动汽车必然成为运输车辆更新换 代的方向 电动汽车的推广使用也是当代车辆运输的又一重大改革 日前 全 球各大汽车制造商都在开发研制电动汽车 并已取得一定成绩 虽然我国的燃 油汽车工业总体水平落后国 t 三十年 但在电动汽车的研发方面仅落后国外 三到五年 某些技术甚至处于国际领先地位 控制系统是实现电动汽车调速和驾驶的关键部件 在很大程度上决定了车 辆的动态性能 由于控制系统的针对性比较强 需要根据不同的电机选用不同 的控制方案 早期的电动汽车主要采用童流电机驱动 直流电机存在过载能力 小 维护困难 转矩质量比小等缺陷 丽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基于d s p 的采用矢量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 矢量控制是目前采用较多的交流调速系统 如果在矢量控制系统中进一 步加上先进的控制策略 将会更加满足电动汽车驱动系统的需要 是当前情况 下电动汽车驱动系统的发展方向之一 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 茎堡堡三查堂堡主兰垡堡塞 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强大的竞争力使之成为2 l 世纪各国政府大力支持发展的 交通工具 图1 1 为燃料电池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 燃料电池发动机系统 图1 1 燃料电池电动汽车结构原理图 1 2 1 电动汽车驱动系统的基本性能要求 电动汽车是一种结构紧凑 工况复杂 具有一定运载能力的行走机械 不 但要适应雪天 雨天 盛夏 严冬 高原缺氧等恶劣天气 还要求承受不同道 路状况的安全考验 保证驾驶人员的安全及舒适 更要求其具备燃油汽车基本 的行走及载运能力 在高速 低速 制动 上下坡 加速等工况下驱动系统能 提供安全可靠的动力 因而 电动汽车的关键在于其驱动系统 高密度 高效 率 宽调速的车辆牵引电机及其控制系统既是电动汽车的心脏又是电动汽车研 制的关键技术之一 电动机是电动汽车驱动系统的核心 其性能 效率 重量 等直接影响电动汽车的性能 为达到对电动汽车续航能力及在复杂工况下安全 运行的要求 电动汽车驱动电机的设计上交流化 专用化已成为趋势 武汉理工人学硕上学位论文 电动汽车的驱动系统 与一般的工业应用有很大的不同 由于电池电源功 率的限制 不但要求电机驱动系统具有尽可能宽广的高效率区 具有高转矩 惯 量比和高可靠性 而且要求电机调速范围宽以及良好的转矩 速度特性 由于 城市用电动汽车频繁起停 工作区域宽 经常运行于低速高转矩或高速低转矩 区域 要求电动汽车在低转速时能提供高转矩 在高速时又能具有宽广范围恒 功率运转的驱动性能 l l 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的能量利用率 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 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1 1 所示 2 0 世纪8 0 年代前 几乎所有的车辆牵引电机均为直流电机 这是因为直流 牵引电机具有起步加速牵引力大 控制系统较简单等优点 直流电机的缺点是 有机械换向器 当在高速大负载下运行时 换向器表面会产生火花 所以电机 的运转不能太高 由于直流电机的换向器需保养 又不适合高速运转 除小型 武汉理工人学硕士学位论文 车外 目前一般已不采用 表1 1 各种电机性能比较h 蔷 电机 直流电机交流电机永磁同步电机 寿命 小时 2 5 0 0 0 5 0 0 o 5 0 0 0 0 功率质量比低 中高 最高转速 r r a 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 s 8 5 9 0 9 2 9 7 坚固性差很好好 近十年来 主要发展交流异步电机和无刷永磁电机系统 与原有的直流牵 引电机系统相比 具有明显优势 其突出优点是体积小 质量轻 其比质量为 0 5 1 0 k g k w 效率高 基本免维护 调速范围广 异步电机其特点是结构简 单 坚固耐用 成本低廉 运行可靠 低转矩脉动 低噪声 不需要位置传感 器 转速极限高 用于电动汽车上的异步电机一般为鼠笼异步电机 其定 转 子是由层叠的薄硅钢片组成 这样减少了电机损坏 提高了效率 鼠笼异步电 机同一功率的质量还不到直流电机的 半 结构紧密 维护简单 其运用在电 动汽车上的传动效率高于8 2 在同样电池容量的情况下 大大提高了电动汽 车的续航能力 这对缩短电动汽车的市场化进程尤为重要 目前应用在异步电 机上的处于主流地位的驱动方案主要有矢量控制方案和直接转矩控制方案 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 但其缺点也很明显 即驱动 电路复杂 成本高 还处于实验阶段 1 3 交流电机控制系统发展现状和前景 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 武汉理工大学硕士学位论文 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已进入了 第四阶段 目前大多采用绝缘栅极晶体管i g b t m o s 控制晶闸管和集成了驱 动 自检测 白保护功能的功率模块坤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1 r 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n 公司的 i m s 3 2 0 u 2 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 1 脉宽调制技术分类与特点 随着电压型逆变器在高性能电力电子装置 如交流传动 u p s 无功补偿器 中的广泛应用 脉宽调制技术 p w m 技术 作为其共同的核心技术 引起人们的 高度关注 并得到越来越深入的研究 p w m 技术最初是在1 9 6 4 年a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 发表文章把通信系统的调制技术应用到交流传动中 从此产生了 正弦脉宽调制变频变压的思想 为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了一 新的道路f 6 1 p w m 技术的发展过程经历了从最初的追求电压波形的正弦到电流 波形的正弦 再到异步电机磁通的正弦 从效率最优 转矩脉动最小 到消除谐 波噪声等嘲 从实际应用来看 s p w m 在各种产品中仍占主导地位 并一直是 人们研究的热点 从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较 产生p w m 信号 以控制功率器件的开关 到八十年代未到九十年代初使用专门 的正弦p w m 波产生芯片如h e f 4 7 5 2 等 再到如今采用高速微处理器8 0 2 1 9 6 m c 8 0 c1 9 6 k c t m s 3 2 0 c 2 4 0 t m s 3 2 0 i f 2 4 0 7 a 等实时在线p w m 信号输出 基本实现了全数字化的方案 从最初的自然采样正弦脉宽调制开始 人们不断 探索改进脉宽调制方法 对自然采样的s p w m 做简单的近似 得到规则采样算 法 在此基础上 又提出了准优化p w m 技术 其实质为在一个基波上叠加一个 幅值为基波1 4 的三次谐波 以提高直流电压利用率 而后出现的空间电压矢量 p w m 技术初始是以保持电机磁链幅值不变 在平面坐标中轨迹为圆形 为出发点 得到的 后来被推广成为当前最有效的工程应用方法 其等效的调制波仍然也 含有一定的三次谐波 由于具有控制简单 数字化实现极其方便的特点 目前 也逐渐有取代传统s p w m 的趋势 而最近几年研究很多的优化p w m 技术具有 武汉理工大学硕士学位论文 电流谐波畸变率最小 效率最优 转矩脉动最小的特点 尽管计算复杂 实时 控制较难 但由于与其它p w m 技术相比 具有电压利用率最高 开关次数少 可以实现特定优化目标等突出优点 随蔫微处理器速度的不断提高 这种p w m 技术也逐渐走入实用化阶段 而另外一种应用较多的p w m 技术是电流滞环比较 p w m 以及在它基础上发展起来的无差拍控制p w m 均具有实现简单的特点 当 开关频率足够高的时候 可以得到非常接近理想正弦的电流波形 到八十年代 中后期 人们出于对p w m 逆变器产生的电磁噪声给予的越来越多的关注 由于 p w m 逆变器的电压电流中含有不少的谐波成分 这些谐波产生的转矩脉动作用 在定转子上 使电机绕组产生振动而发出噪声 人们为了解决此问题想出了两 种方法 一个是提高开关频率 使之高于人耳能感受的范围 另一种方法就是 使用随机脉冲频率p w m 技术 从改变谐波的频谱出发 使逆变器输出电压电流 谐波均匀地分布在较宽的频带范围内 以达到抑制噪声和机械共振的目的t 6 1 1 3 2 不同交流调速控制策略比较 感应电机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 饵控制 转差频率 控制 矢量控制和直接转矩控f 1 t l 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 异步电机矢量控制调速技术比较成熟 使得异步电机驱动系统具有明显的 优势 因此被较早应用于电动汽车的驱动系统 目前仍然是电动汽车驱动系统 6 武汉理工大学硕士学位论文 的主流产品 尤其在美国 如何准确 快速的辨识异步电动机转子电阻 以 提高整个矢量控制系统的鲁棒性 一直以来是国内外研究的重点 与矢量控制方式比较 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链 它采用 离散的电压空间矢量和六边形磁链空间矢量概念 只要知道定子电阻就可以把 它观测出来 因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数 变化影响的问题 此外 它的控制结构简单 控制信号处理的物理概念明确 系统的转矩响应迅速且无超调 是一种具有高静 动态性能的交流调速控制方式 直接转矩控制具有结构简单 转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点 但有低速 转矩脉动大的缺点 1 4 交流电机矢量控制系统常用方案及其比较 目前交流电机矢量控制方法应用较多 比较成熟的有四种 它们基于不同 的控制思路 有着各自的优缺点 应用于不同的领域 下面对它们进行简要的 总结和比较 1 转差频率的矢量控制方案 转差频率的矢量控制方案结构简单 不需要实际计算转子磁链的幅值和相 位 避免了磁通的闭环控制 所能获得的动态性能基本上可以达到直流双闭环 控制系统的水平 然而间接磁场定向控制中对转子时问常数比较敏感 当控制 器中这个参数不正确时 计算出的转差频率也不正确 得出的磁通旋转角度将 出现偏差 即出现定向不准的问题 这种控制方法不适合高性能的电机控制系 统 2 气隙磁场定向矢量控制方案 气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系中存在藕合 需要增加解耦器 这使得它比转子磁通的控制方式复杂 但具有一些状态能直接测量的优点 比 如气隙磁通 同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致 故基于气隙磁通的控 制方式更适合于处理饱和效应 3 定子磁场定向的矢量控制方案 定子磁场定向的矢量控制方案 在一般的调速范围内可利用定子方程作磁 通观测器 非常易于实现且不包括对温度变化非常敏感的转子参数 可达到相 当好的动静态性能 同时控制系统结构也相对简单 然而低速时 由于定子电 阻压降占端电压的大部分 致使反电动势测量误差较大 导致定子磁通观测不 武汉理工大学硕士学位论文 准 影响系统性能 定子磁场定向的矢量控制系统适用于大范围弱磁运行的情 况 4 转子磁场定向的矢量控制方案 转子磁场定向的控制方案 缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精 度受转子时间常数的影响较大 降低了系统的性能 但是它达到了完全的解祸 控制 无需增加解耦器 控制方式简单 具有较好动态性能和控制精度 所以 本文采用转子磁场定向的矢量控制 7 捧 f 9 1 1 5 论文主要研究内容 本文主要研究和设计了按转子磁场定向的s v p w m 调制方式的电动汽车交流 驱动电机矢量控制系统 并进一步的研究分析了转子磁场定向矢量控制系统 以及s v p w m 的生成原理 控制方式 根据电力机车的牵引特性 论文从矢量控 制的基本原理出发 充分将t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 的高速运算能力 丰富的片内资源和 s v p 丽的高性能结合起来 构造了带转矩内环的转速 磁链闭环矢量控制系统 论文完成了控制算法 控制软件 控制系统硬件电路的设计 并且进行了调试 工作 第一章为绪论 简要介绍了电动汽车驱动系统性能要求和交流调速及其相 关技术的发展现状 描述了几种常用的矢量控制方案 并简单对其进行了比较 第二章为电动汽车驱动系统的矢量控常i 策略 介绍异步电动机矢量控制原 理 方程 以及s v p w m 的工作原理和实现算法 并进行了仿真研究 第三章为控制系统的硬件电路设计 介绍了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 主控芯片 完 成了主电路 保护电路 控制电路的设计 第四章为控制系统的软件设计 设计完成了主程序和中断服务程序 并介 绍了各部分的功能 给出了部分软件设计流程图 第五章为实验研究 完成了电机低速 中速和高速运行实验以及档位切换 实验 通过对实验结果进行了对比分析 验证了系统控制方案的有效性 第六章为总结和展望 为全文所作研究进行了概括性的总结 提出了有待 进一步研究和解决的问题 本文的体系结构如图1 2 所示 武汉理工大学硕士学位论文 绪论 i 电动汽车用交流电机矢量控制系统的整体结构 ili 电动汽车驱交流电机矢 电动汽车交流驱动 动系统的特量控制的原 点 要求 理 现状 电机矢量控制系统的组成 ii i 电动汽车用交流电机控制策略卜一软件设计 硬件设计 ilii 全文总结与展望 图1 2 本文的体系结构图 9 武汉理 t 大学硕十学位论文 第2 章电动汽车交流驱动电机矢量控制的模型分析 异步电动机的数学模型是一个高阶 非线性 强耦合的多变量系统 其转 矩表达式为 s l t c 丸 s 竹 2 1 式中 为转子阻抗角 异步电动机的转子电流为 和气隙有效磁通丸两个参数 既不成直角又不是两个独立变量 转矩的这种复杂关系 成为异步电动机难于 控制的根本原因 我们知道 对一个物理对象的数学模型 在不改变控制对象 物理特性的前提下采用一定的变换手段 可以获得相对简单的数学描述 以简 化对控胄4 对象的控制 对异步电机的数学分析也不例外 在分析异步电机的数 学模型时主要用到的是坐标变换b o 2 1 异步电机的数学模型和坐标变换 异步电动机作为交流电动机的一种 其数学模型和直流电动机的数学模型 相比有着本质上的区别 异步电动机的数学模型是一个高阶 非线性 强耦合 的多变量系统 这是因为 第一 异步电动机定子有三个绕组 转子也可等效为 三个绕组 每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性 再加上机械系统的机电 惯性 即使不考虑变频装置中的滞后因素 它至少也是一个七阶的系统 第二 在异步电动机中 磁通乘以电流产生转矩 转速乘以磁通得到旋转感应电动势 由于它们都是同时变化的 在数学模型中就含有两个变量的乘积项 这样一来 即使不考虑磁路饱和等因素 数学模型也是非线性的 第三 异步电动机只有 一个三相电源 磁通的建立和转速的变化是同时进行的 为了获得良好的动态 性能 还希望对磁通施加某种控制 使它在动态过程中尽量保持恒定 才能发 挥出较大的转矩 为方便进行讨论 本文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 在以后的叙述中 对于异步电动机定子侧的电磁量下角标以 s 或 1 表示 武汉理工人学硕士学位论文 对于转子侧的电磁量下角标以 r 或 2 表示 气隙电磁量则下角标以 m 表 不 2 1 1 异步电动机在两相静止坐标系下的模型 筇坐标系是一个两相静止坐标系 其中口轴和卢轴互相垂直 构成对称两 相绕组中的两根轴线 由于口 卢两相坐标轴相互垂直 两相绕组之间没有磁 耦合 因此 当三相a b c 坐标系中的电机数学模型转换到筇坐标系中时 其数 学模型会得到较大的简化 b c 图2 1 异步电机矢量的三种坐标表示 彻c o 猡的坐标转换为三相到两相的变换 简称3 s 2 s 变换 其变换矩阵为 压 b 胁 亏 1 一三 2 o 鱼 2 1 0 3 通过变换 异步电动机在筇坐标系下的数学模型为 1 电压方程 u h 出 0 0 r t l p 0 l p 一跳 0 r s l s p 咄 p p o r l p 一越 o 工 p 越 r l p l l 曲 蕾 i a 式中 母 i 分别为定子口 b 轴的电压 电流 i i 分别为转子口 b 轴的电流 r r 分别为定子 转子绕组电阻 l l 分别为定子 转子绕组的电感 l 为定转子绕组的互感 2 2 2 3 武汉理丁大学硕士学位论文 p 车 为微分算子 p 五 刀骰分舁亍 2 磁链方程 妒毋 妒庸 妒订 1 c r 庸 工 0 工 0 l 0 l 0l 0 三 0滩 2 4 式中的妒 妒母 1 f 1 f 一分别为定子 转子绕组的口 b 轴磁链 3 转矩方程 t e 厅p 即 i 冉一妒冉f 2 5 式中死为电动机的电磁转矩 n 为电动机的极对数 转子的运动方程为 乃一刀 土兰兰 2 6 1 d t 式中刀为负载转矩 j 为转动惯量 8 1 2 1 2 异步电机两相旋转坐标系下的数学模型 砌坐标系为一个两相旋转坐标系 转子磁极中线转子磁链方向为d 轴 也称 直轴 口轴 也称交轴 超前d 轴9 0 电角度 三相静止坐标系的电压方程式或 两相静止坐标系的电压方程都可以通过等效变换用d q 旋转坐标系中的等效电压 方程表示 使出坐标系中的电压方程为一组线性方程组 使分析和计算大为简 化 a b c 一由变换 即从三相静止到两相旋转 简称3 s 2 r 变换 变换矩阵为 压 l 3 小 v i c o s 妒 一s i l l 妒 1 4 2 c o s 1 2 0 一s i n 妒 一1 2 0 1 2 c o s 1 2 0 一s i n t p 1 2 0 1 2 由一筇变换 简称2 s 2 r 变换 交换矩阵为 2 7 c z 们 c o s 妒仍r 唧s i n 妒 弘s 因为妒z 的定义方向为d 轴 所以妒 一妒 妒 0 通过变换 异步电动 机在筇坐标系下的数学模型为 1 电压方程 武汉理工大学硕士学位论文 u d l 9 1 u d 2 u q 2 r l p 1 l l p 0 2 j l m 一 l l r l s p o o l p 0 1 l l m r 三 p 珊 式中 一 i d l l q 1 分别为定子d q 轴的电压 2 h i i 2 分别为转子d q 轴的电压 m 为同步旋转角速度 吐为转差角速度 2 磁链方程 妒d 1 妒口1 妒d 2 o l 0l m 0 上 0 工 0 工 0 l 0雏 一埘1 工m l p o 兄 电流 电流 2 9 r 2 1 0 式中的妒 妒 妒 分别为定子 转子绕组的d 口轴磁链分量 3 转矩方程 t e jn p l m 心 w l q 2 学l f 2 1 1 这种坐标系的突出优点是 当邶c 坐标系中的变量为正弦函数时 由坐标 系中的变量是直流 2 2 转子磁场定向异步电机矢量控制原理 所谓矢量控制就是将用静止坐标系所表示的电动机矢量变换到以气隙磁场 或转子磁场定向的坐标轴系 这里选用转子磁场定向 三相电流f f 经过 由三相静止坐标系到两相垂直静止坐标系e 芦轴 再由两相静止坐标系到两相旋 转坐标系咖轴的变换 并使d 轴沿着转子磁链的方向 则异步电动机就变成了 由励磁电流分量屯 和转矩电流分量f 分开控制的直流电动机 按照直流电动机 的控制方法 求得控制量后 再经过坐标反变换 就能控制异步电动机 对异 步电动机的控制转为对转子磁链参照系下的直流电动机的控制 l l l 其原理框图 如下图所示 转子磁场定向即是按转子全磁链矢量妒 定向 就是将m 轴取向于转子全磁 链妒 轴的方向 称之为磁化轴 r 轴则逆时针转9 0 垂直于矢量妒 方向 称之 为转矩轴 由此可知 定子电流矢量i 在膨轴的分量f 是纯励磁电流分量 在r 轴上的分量f 是纯转矩电流分量 这样m t 坐标系就变成了转子磁场定向坐标 武汉理工人学硕士学位论文 图2 2 矢量控制原理框图 系a 将式 2 9 至式 2 1 1 中的坐标轴符号改变一下 即得m r 坐标系上的数学 模型f 1 2 1 电压方程 h 1 口1 1 h 2 m f 2 r 上 p w l l l p 工 一 l l r i l l p o 0 k p l l m 耳 工 p l 2 磁链方程 由于妒 本身也是以同步转速旋转的矢量 因此 妒 1 妒n 妒带2 o 三 0 0 l k0 0 工 三 0 0 k l 0 0 l l i t l m 2 i t 2 妒 2 一妒2 妒1 2 0 工 i l 三 2 妒2 l i t l l i f 2 0 3 转矩方程 死一月 f 2 一i 1 f 2 生垫l f 2 l 对于笼型感应电机转予是短路的 则 0 为以下形式 一0 3 l l p 0 置 z i l t l l 2 t 2 r 2 1 2 r 2 1 3 r 2 1 4 2 1 5 2 1 6 f 2 1 7 电压方程可以进一步化 武汉理工大学硕士学位论文 i f 1 0 0 r l p 1 l l p l 一 l l r l p 0 0 l p o j l l r l p 0 3 l 出式 2 1 4 2 1 6 和式 2 a 8 可推导出以下公式 k 譬 掣妒 m 一 l k l p 0 月 2 1 吼 2 1 9 f 2 2 0 或 妒2 i 二 2 2 1 1 2 p 1 r h i t l 等丝吐 2 2 2 式中 l 一 为转子暾磁时闻鬻数 n 2 式 2 1 7 2 2 1 和式 2 2 2 就是矢量控制的基本方程式 式 2 2 1 表明 转子磁链1 f i 仅由定子电流矢量的励磁电流分量f 产生 与 定子电流的转矩电流分t i 无关 妒 和 之间的传递函数是一个一阶惯性环 节 当励磁电流分量0 发生阶跃变化时 妒 的变化要受到励磁惯性的阻挠 妒 按时间常数五呈指数规律变化 这和直流电动机励磁绕组的惯性作用是一致的 式子 2 1 7 中i 是定子电流的转矩分量 当f 不变 即妒 不交时 瓦和 成线 性正比关系 如果 发生变化 转矩t 立即随之成正比的变化 没有滞后 这 充分说明了异步电动机矢量控制系统按转子磁场定向后 可以使定子电流的磁 通电流分量和转矩电流分量实现解耦 妒 唯一由 决定 则只影响转矩 与 直流电机中的励磁电流和电枢电流相对应 这样大大简化了多变量强耦合的交 流变频调速系统的控制问题 式 2 2 2 所表明的物理意义是 当妒 恒定时 无论 是稳态还是动态过程 矢量控制系统的转差频率 都异步电机的转矩电流分量 成正l v t 2 3 电压空间矢量脉宽调制技术 就交流调速系统而言 异步电机三相电流正弦化的最终目的是希望在空间 武汉理工大学硕士学位论文 产生圆形旋转磁场 从而产生恒定的电磁转矩 按照旋转磁场轨迹为圆的目标 来形成p w m 控制 其效果将更直接 这种控制就称为磁链跟踪控制 由于磁链 的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的 所以又称为电压空间矢量控制 电压空 间矢量控制 s v p w m 具有以下特点 r 1 1 每个小扇区均以零电压矢量开始和结束 2 在每个小区内虽有多次开关状态的切换 但每次切换都只牵涉到一个功 率开关器件 所以开关损耗小 3 利用电压空间矢量直接生成三相p w m 波 计算简便 4 采用电压空间矢量控制时 逆变器输出线电压基波最大幅值为直流侧电 压 比一般的s p w m 逆交器输出电压高1 5 2 3 1s v p w m 的工作原理 图2 3 电压型逆理想变器示意图 在变频调速系统中 逆变器为电动机提供的是经过调制的p w m 电压 矢量 控制一般采用三相二点式电压型逆变器向交流电机供电 如图2 3 所示 电压型 逆变器由三组六个开关 s i s b 一s b s 巧 组成 其中对应的上下臂 互为反向 即一个接通 另 个关断 所以三组开关有2 3 8 种开关组合 若规 定a b c 三相负载的菜一相与 极接通时 该相的开关状态为 1 态 反之 与 一 极接通时为 0 态 l 则8 种可能的开关组合状态见表2 i 表2 i 逆变器的8 种开关 开关状态 01234567 s 01o10101 咒 o 0 l100 1 1 s 0 0 0o1111 1 6 武汉理工人学硕上学位论文 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 1 y 妄0 h 6 e 皿州3 e 妇 3 2 2 3 j 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 空间合成矢量矿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 4 所示 k c o l o 五垂1 0 图2 4 电压空间矢量图 其中k 状态和k 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 个非零矢量均匀分 布在 a 一声 坐标平面上 彼此相差6 0 幅值均为 毛 v 3 零矢量位于原点 相邻非零矢量之间的夹角为6 0 从一个电压空间矢量 旋转到另一个矢量的过程中 应当遵循功率器件的开关状态变化最小的原则 即应当只有一个功率器件的开关状态发生变化 利用这8 种电压矢量的线性组 合 就可以获得更多的与基本空间矢量相位不同的电压空间矢量 最终构成一 组等幅不同相的电压空间矢量 叠加形成尽可能逼近圆形旋转磁场的磁链圆 s v p w m 的理论基础是平均值等效原理 即在一个开关周期内通过对基本电 压矢量加以组合 使其平均值与给定电压矢量相等 相邻两非零矢量和零矢量 在时间上的不同组合 可以得到该扇区内的一组等幅不同相的空间电压矢量 三个矢量的作用时间可以一次施加 也可以在一个采样周期内分多次施加 这 样更有利于消除电机转矩脉动 通过控制各个电压矢量的作用时间 使空间电 压矢量接近圆轨迹旋转 就可以便电机磁通也逼近圆轨迹 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2s v p w m 的控制算法 1 电压空间矢量的合成 由于零矢量的两个自由度 加上两个相邻非零矢量的顺序亦有两个自由度 组成电压空间矢量的方式不唯一 但不同的方式对逆变器的性能指标如器件开 关频率 开关损耗和输出电流的谐波含量等各异 本论文采用一种基本的方法 在合成空间电压矢量时 八个电压矢量的组合遵循以下原则胛l 1 伏秒平衡原则 一个开关周期内 输出电压的平均值应该与指定电压的 平均值相等 2 转换模式 为降低开关频率 减小开关损耗 从一种开关状态到另一种 开关状态的切换应该只有一个开关器件动作 3 组合方式 任一电压矢量应