异步电机控制在电动汽车驱动中的应用

1、 江 苏 大 学 学 士 学 位 毕 业 论 文 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 毕 业 论 文 异步电机控制在电动汽车驱动中的应用 Induction Machine Control in Electric Vehicle Drive 学 院 名 称： 电气信息工程学院 专 业 班 级： 学 生 姓 名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2013年6月 异步电机控制在电动汽车驱动中的应用专业班级：* 学生姓名：*指导老师：* 职称：*摘要 伴随着社会的进步，汽车和人们生活越来越密不可分，这给人们生活带来了便捷，同时也带来了能源危机和环境污染等一些严

2、重的负面问题。电动汽车具有环境污染小、效率高等优点，能很好地解决这一矛盾。电动汽车的核心是电机驱动系统。异步电机由于其结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，转矩脉动低，噪声低等优点在工业领域得到了广泛地应用。本文根据直流电机控制思想，采用矢量控制策略把异步电机定子电流分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流)和产生转矩的电流分量（转矩电流），仿照直流电机控制方法控制异步电机的电磁转矩与磁链。根据坐标变换原理，本文在不同坐标系上建立了异步电机数学模型；并在此基础上给出了异步电机的等效电路、磁链方程、转矩方程；详细介绍了矢量控制策略。运用MATLAB中SlMULINK搭建了异步电机矢量控制模型，并进

3、行了仿真分析，仿真结果表明基于转子磁场定向的异步电机矢量控制系统结构简单，解耦方便，动态性能好，能满足电动汽车对电机转矩、转速的性能要求。关键字：电动汽车 异步电机 矢量控制 SlMULINKI Induction Machine Control in Electric Vehicle DriveAbstract Along with the progress of the society, the use of cars is closely connected with peoples life. It brings convenient and quick to peoples live

4、s, but it also brought the energy crisis and environmental pollution, such as some serious negative problems. Electric vehicle has advantages of low pollution, high efficiency, can well solve this contradiction. The electric vehicle is at the core of the motor drive system. Because of its simple str

5、ucture, strong and durable, low cost, reliable operation, low torque ripple, low noise advantages,induction machine has been widely used in industrial field. In this paper, according to the DC motor control,vector control strategy is used to decomposed the magnetic field induction machine stator cur

6、rent into excitation current and torque current. modelled on the dc motor control method to control of induction machine electromagnetic torque and flux linkage.In this paper, according to the principle of coordinate transformation, the induction machine mathematical model is set up on different coo

7、rdinate system. Based on the coordinate transformation, the equivalent circuit、flux linkage equations and torque equation are given . This paper introduces the principle of vector control strategy in detail. Using MATLAB SIMULINK build the asynchronous motor vector control model, And a simulation an

8、alysis was carried out .The simulation results show that the rotor field oriented vector control system has the advantages of simple structure, convenient decoupling, good dynamic performance and can satisfy the torque, rotational speed of motor of electric vehicles performance requirements.Key word

9、s: Electric Vehicle Induction Machine Vector Control SIMULINK目 录第一章 绪论11.1课题研究的目的和意义11.2电动汽车的发展现状与前景21.2.1电动汽车主要技术21.2.2国内外电动汽车的发展状况31.3现代交流调速系统的发展61.3.1脉宽调制（PWM）技术71.3.2矢量变换控制技术91.3.3直接转矩控制技术111.3.4现代交流调速系统的发展趋势111.4论文的主要研究内容12第二章 异步电机的矢量控制系统132.1坐标变换132.1.1三相两相变换（3/2变换）142.1.2静止两相旋转正交变换（2s/2r变换）15

10、2.2三相异步电机数学模型162.2.1三相静止坐标系下的数学模型162.2.2两相静止坐标系下的数学模型172.2.3两相旋转坐标系中的数学模型202.3转子磁场定向的异步电机矢量控制系统242.3.1转子磁场定向的同步旋转正交坐标系242.3.2转子磁场定向矢量控制的基本思想262.4电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术272.4.1电压与磁链空间的关系282.4.2 PWM逆变器基本输出电压矢量292.4.3期望电压空间矢量的合成302.4.4 SVPWM的实现方法32第三章 基于MATLAB的异步电机仿真模型353.1矢量控制结构图353.2各模块的设计353.3系统仿真结果分析3

11、8结论41致谢42参考文献43IV 第一章 绪论1.1课题研究的目的和意义随着经济的发展，汽车也已经成为必不可少的交通工具。目前汽车大多使用内燃机作为发动机，以柴油或汽油为燃料，在使用过程中排放大量的烟尘和有害气体，造成日益严重的空气污染。并且由于现阶段的中国已经面临着石油短缺的严峻挑战，如果按照现在的使用速度，那么不久世界上已知的原油储量将被耗尽。为此世界各国都投入大量的人力物力来研究开发新能源以应对能源安全。其中电动汽车战略已经成为我国新兴战略产业发展的决策。电动车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染,对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是零污染。电动汽车的研究表明,其能源效率

12、已超过汽油机汽车，特别是在景区运行,汽车走走停停,行驶速度不高,电动汽车更加适宜，电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机,实现制动减速时能量的再利用；另一方面,电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖,可将有限的石油用于更重要的方面，向蓄电池充电的电力可以由水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外,如果夜间向蓄电池充电,还可以避开用电高峰,有利于电网均衡负荷,减少费用1。 除此以外电动汽车还有众多优点：（1） 环保无公害，不排放废气，噪声水平低；（2） 电动机易于电子控制，可以灵活的改变稳态特性，可简化甚至省去变速齿轮装置；（3） 电动机可方便地实现四象限

13、运行，不需要专门的可逆齿轮装置。由于能产生制动转矩，因而大大减小机械制动磨损；（4） 电动机旋转对称，运行平稳，震动极小，且不存在使材料产生疲劳的高温，寿命长，维护工作量小。电动车驱动电动机有直流电动机、异步电动机、永磁无刷电动机和开关磁阻电动机。异步电动机具有体积小，结构简单、坚固可靠、成本低、易于维护等优点，并且随着交频调速技术的发展，使异步电机有着优异的启动和调速性能，高效率，高功率因素和节能等优点。因此高性能的电动车普遍采用异步电动机作为传动设备。而异步电机是个多变量、耦合性强以及非线性系统，为了方便研究，德国的 F.Blaschke 在1971 年首先提出矢量控制技术,具体是按转子磁

14、场定向，将异步电机定子电流分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流)和产生转矩的电流分量（转矩电流），得到等效的直流电动机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链。该技术的出现从理论上解决了交流传动技术在磁场和电流的解耦问题，使得异步电机控制可以像直流电机控制一样变得简单，且具有其所有的优点，该技术的提出在电机的控制上也因此具有划时代的意义。1.2电动汽车的发展现状与前景在当前全球汽车工业面临金融危机和能源环境问题的巨大挑战的情况下，发展电动汽车，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成了广泛共识。目前，我国已出台许多政策，扶持和引导电动汽车行业的快速发展

15、，政府意欲加速提高国内电动车产业的竞争力，缩短成熟期，实现对国外汽车工业的“弯道超车”。电动汽车的发展步入关键时期，机遇与挑战并存3。新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品。 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶。所以混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车都被归为电动汽车。 电动汽车之所以成为本世纪技术开发的宠儿，首先是因为电动汽车直接采用电机驱动，本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少。发电厂大多建于远离人口

16、密集的城市，对人类伤害较少，而且发电厂的场所固定，有害排放物集中排放、清除较容易。由于电力可以从多种一次能源中获得，如煤、核能、水力、风力、光、热等，可以很好地解除人们对石油资源日见枯竭的担心。其次，电动汽车能够充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备得到充分利用，大大地提高了经济效益。有关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电、充入电池、由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。1.2.1电动汽车主要技术纯电动汽车以电动机代替燃油机，由电机驱动而无需自动变速箱。相对于自动变速箱，电机结构简单、技术成熟、运行可靠

17、。 传统的内燃机能把高效产生转矩时的转速限制在一个窄的范围内，这是为何传统内燃机汽车需要庞大而复杂的变速机构的原因；而电动机可以在相当宽广的速度范围内高效产生转矩，在纯电动车行驶过程中不需要换挡变速装置，操纵方便容易，噪音低。与混合动力汽车相比，纯电动车使用单一电能源，电控系统大大减少了汽车内部机械传动系统，结构更简化，也降低了机械部件摩擦导致的能量损耗及噪音，节省了汽车内部空间、重量。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）之一，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是电动汽车的重要部件。电动汽车中的燃料电池汽车

18、FCV、混合动力汽车HEV 和纯电动汽车EV 三大类都要用电动机来驱动车轮行驶，选择合适的电动机是提高各类电动汽车性价比的重要因素，因此研发或完善能同时满足车辆行驶过程中的各项性能要求，并具有坚固耐用、造价低、效能高等特点的电动机驱动方式显得极其重要。电动汽车的驱动电机目前有直流有刷、无刷、有永磁、电磁之分，再有交流步进电机等，它们的选用也与整车配置、用途、档次有关。另外驱动电机之调速控制也分有级调速和无级调速，有采用电子调速控制器和不用调速控制器之分。电动机有轮毂电机、内转子电机、有单电机驱动、多电机驱动和组合电机驱动等4。1.2.2国内外电动汽车的发展状况目前发展电动汽车，实现汽车能源动力

19、系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成了潮流。根据各大汽车公司发布的产品上市计划，预计2012年前后将迎来国际电动汽车产业化发展的一次高潮。电动汽车一旦取得市场突破，必将对国际汽车产业格局产生巨大而深远的影响。因此，顺应国际汽车工业发展潮流，把握交通能源动力系统转型的战略机遇，坚持自主创新，动员各方面的力量，加快推动电动汽车产业发展，对抢占未来汽车产业竞争制高点、实现我国汽车工业由大变强和自主发展至关重要，也十分紧迫。一是各国政府相继发布电动汽车发展战略和国家计划，进一步为产业发展指明了方向。美国奥巴马政府实施绿色新政，把电动汽车作为国家战略的重要组成，计划到2015年普及

20、100万辆插电式混合动力电动汽车（PHEV）。日本把发展电动汽车作为“低碳革命”的核心内容，并计划到2020年普及包括电动汽车在内的“下一代汽车”达到1350万辆，为完成这一目标，日本到2020年计划开发出至少17款纯电动汽车、38款混合动力车。德国政府在2008年11月提出未来10年普及100万辆纯电动汽车和插电式混合动力汽车，并宣称该计划的实施，标志德国将进入电动汽车时代。国家战略的发布实施，对产业发展有着十分重要的导向作用，必将进一步加快国际电动汽车产业发展的进程。二是动力电池得到高度重视，研发投入急剧增加，电动汽车技术瓶颈突破的预期大大增强。美国总统奥巴马2009年8月宣布安排24亿美

21、元支持PHEV的研发与产业化，其中20亿美元用来支持先进动力电池的研发和产业化。日本政府提出“谁控制了电池，谁就控制了电动汽车”，并组织实施国家专项计划，在2011年以前将投入400多亿日元用于先进动力电池技术研究，2010年左右新型锂电池将规模应用于下一代电动汽车。德国从今年起启动了一项4.2亿欧元的车用锂电池开发计划，几乎所有德国汽车和能源巨头均携资加入。三是各国政府加大政策支持力度，全力推进电动汽车产业化。一方面，政府加大对消费者的政策激励，加快电动汽车的市场培育。美国对PHEV实施税收优惠，减税额度在2500美元和15000美元之间。日本从2009年4月1日起实施新的“绿色税制”，对包

22、括纯电动汽车、混合动力车等低排放且燃油消耗量低的车辆给予税赋优惠，一年的减税规模约为2100亿日元，是现行优惠办法减税额的10倍。英国从2009年4月1日起执行新汽车消费税，对纯电动汽车免缴消费税。法国对购买低排放（二氧化碳）汽车的消费者给予最高5000欧元的奖励，对高排放汽车进行最高2600欧元的惩罚。另一方面，政府通过加大信贷支持等措施，鼓励整车企业加快电动汽车产业化。美国政府对电动汽车生产予以贷款资助。2009年6月23日，福特、日产北美公司和Tesla汽车公司获得80亿美元的贷款，主要用于混合动力和纯电动汽车的生产。欧盟在2009年上半年发放70亿欧元贷款，支持汽车制造商发展电动汽车；

23、此外，美国新的汽车燃油经济性法规和欧盟新车平均二氧化碳排放法规，对汽车的技术要求大幅提高，如果不发展电动汽车技术，汽车制造商将很难达到新法规的要求。四是纯电动汽车得益于高性能锂离子电池的发展应用，受到各国政府和各大汽车公司的重新重视，产业化步伐不断加快。日产汽车公司宣布2010年在美国和日本销售纯电动汽车，计划于20122013年实现大规模上市，其量产车型“树叶”已经正式发布。三菱、雷诺、丰田、宝马等汽车公司也开发出小型纯电动轿车，并计划在2012年前后批量上市。美国、日本、法国、德国、以色列等国政府都制定了纯电动汽车推广计划，电动汽车充电系统建设项目也陆续启动。随着汽车造成的环境污染和石油危

24、机日益严重，20世纪90年代以来，电动汽车研究开始受到重视。经过近20年的研究，已经在电动汽车关键技术、系统集成、试验应用上实现了全面突破，目前世界上主要国家争相开展产业化工作。1993年美国政府组织企业和科研机构成立 “新一代汽车合作计划”（PNGV），联合开展电动汽车研究，法、德、日等发达国家纷纷采取政府引导、企业和科研机构联合的方式加强电动汽车开发研究。1997年以来，丰田汽车公司推出两代 “Prius”混合动力轿车，截止到2004年底，丰田汽车公司累计销量25万辆混合动力轿车，占全球混合动力汽车总数90%。2000年本田公司的“Insight”混合动力轿车投放市场，2002年Civic

25、混合动力汽车投放美国市场。1999年以来，本田汽车公司先后推出“FCX V1、V2、V3、V4、”燃料电池汽车，进行可靠性、碰撞安全性、道路试验等内容的认证试验。2001年以来，通用汽车公司先后推出了“Autonomy”、“Hy Wire”和“Sequel”三种燃料电池轿车，其中“Sequel”燃料电池轿车集成了燃料电池、线传操控系统、轮毂电机和全铝合金车身等先进技术，是一部走向实用化的燃料电池汽车。“十五”计划期间，中国科技部投入8.8亿元全面启动863电动汽车重大科技专项，制定了“三纵三横”的总体研发布局：以混合动力电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以多能源动力总成控制、驱动电

26、机、动力蓄电池为“三横”，全面构筑电动汽车的技术平台。经过多年的探索与努力，我国在新能源汽车电池、电机、电控三大关键技术上相继取得突破，并开始产业化。清华大学和天津清源电动车辆有限公司研制纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心的型式认证试验。东风汽车(600006,股吧)（600006）公司与武汉理工大学等筹资创建东风电动车辆股份有限公司，开展混合动力汽车研发， 其开发的EQ6100HEV混合动力客车于2003年11月8日在武汉开始示范运行工作，已累计运行14万多公里，载客15万人次。2004年一汽集团和丰田汽车公司签署协议，计划引进其“Prius”混合动力汽车技术，建设“绿色”汽车生产基

27、地。建立了电动汽车研发的国家技术标准平台、测试检验平台、政策法规平台和示范应用平台。到目前为止，电动汽车整车产品13项新标准已起草完成、5项标准修订完成、6项关键零部件产品测试规范也已确定。测试电动汽车动力蓄电池、驱动电机、燃料电池发动机等部件的6个公共检测中心和试验平台已分别在北京、天津、上海、大连建立起来。经过多年的技术研发、功能性样车试验、示范性应用，我国的电动汽车已经具备了初步产业化条件。中国正在紧张研讨电动汽车科技发展“十二五”专项规划（草案），规划的总体目标是全面掌握电动汽车核心技术，培育自主研发能力，发挥市场和资源优势，形成有较强竞争力的电动汽车以及关键零部件工业体系。筹划建设电

28、动汽车充电站、加氢站等基础设施，满足电动汽车产业化发展需求，完善电动汽车标准体系，建立有利于电动汽车发展的环境，实现中国由“汽车大国”向“汽车强国”的转变。未来5年将是电动汽车从研发阶段向产业化阶段过渡的关键时期，也是中国将电动汽车产业做大做强的关键5年。根据规划的总体思路，“十二五”期间将重点开展7个方面的工作。第一，坚持“三纵三横”研发布局（即、以燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车三种车型为“三纵”，多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种共性技术为“三横”）和“产业化研发”模式。第二，加大充电基础设施科技创新力度，加快基础设施建设。第三，加快技术标

29、准研究，完善标准体系建设。第四，深化示范推广，探索商业推动模式。第五，支持组建产业技术创新联盟、承担科技计划任务。第六，完善公共平台，加强人才培养。第七，深化国际技术交流与合作，推动电动汽车国际化发展1.3现代交流调速系统的发展在实际应用中, 电动机作为把电能转换为机械能的主要设备, 一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此, 调速技术一直是研究的热点。长期以来, 直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以

30、下运行时, 保持励磁电流恒定, 可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速； 在额定转速以上运行时, 保持电枢电压恒定, 可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此, 20 世纪 80 年代以前, 在变速传动领域中, 直流调速一直占据主导地位。近几年来, 科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样, 而且成本和维护费用比直流电动机系统更低, 可靠性更高。目前, 国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势 , 而交流变频调速装置的生产大幅度上升。因此,

31、采用高效率经济型的交流调速系统来取代原有的直流电动机调速系统, 是电机调速技术发展的新动向。20 世纪 60 年代中期, 德国的 A Schonung 等人率先提出了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, 为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了新的道路。从此, 交流调速理论及应用技术大致沿下述几个方面发展。1.3.1脉宽调制（PWM）技术 现代变频器中用的最多控制技术是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）5,其基本思想是：控制逆变器中电力电子器件的开通或关断、输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列

32、代替期望的输出电压。传统的交流PWM技术是用正弦波来调制等腰三角波，称为正弦脉冲宽度调制（SPWM），随着控制技术的发展，产生了电流跟踪PWM（CFPWM）控制技术和电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术6。脉宽调制(PWM)技术的发展和应用优化了变频装置的性能, 变频调速系统采用 PWM 技术不仅能够及时准确地实现变压变频控制要求, 而且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, 从而降低或消除了变频调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围。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应

33、用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止主要有以下几种方法7:(1) 基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制；(2) 基于消除指定次数谐波的SHEPWM控制；(3) 基于电流滞环跟踪的CHBPWM控制；(4) 电压空间矢量控制SVPWM，或称磁链轨迹跟踪控制。第一种PWM技术是正弦波脉宽调制技术SPWM。它是当调制波与载波相交时，由他们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。随着PWM变频器的广泛应用，以制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，许多用于电机控制的微机芯片集成了带有死去的PWM控制功能，功率放大后，即可驱动电力电子器件

34、，使用相当简便。普通的SPWM变频器输出电压带有一定的谐波分量，为降低谐波分量，减少电动机转矩脉动，可以采用直接计算的方法，以消除指定次数谐波PWM（Selected Harmonics Elimination PWM,SHEPWM）控制技术。这是第二种PWM技术。SPWM控制技术以输出电压接近正弦波为目标，电流波形则因负载的性质及大小而异。然而对于交流电动机来说，应该保证为正弦波的电流，稳态时在绕组中通过三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产生脉动，因此以正弦波电流为 控制目标更为合适。电流跟踪PWM的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值

35、，在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。电流滞环跟踪控制方法的精度高、响应快、且易于实现，但功率开关器件的开关频率不定。为了客服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。且具有电流滞环跟踪控制的PWM型变频器用于调速系统时，只需要改变电流给定信号的频率即可实现变频调速，无需再人为地调节逆变器电压。此时，电流控制环只是系统的内环，外边仍应有转速外环，才能视不同负载的需要自动控制给定电流的幅值。经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量靠近正弦波，并未顾及输出电流的波形。从电流

36、跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要正弦电压更前进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的，所以又称“电压空间矢量PWM控制”。这四种PWM技术中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标，第三种是以输出电流接近正弦波为控制目标，第四种是以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标8。PWM 技术的应用克服了相控原理的所有弊端, 使交流电动机定子得到了接近正

37、弦波形的电压和电流, 提高了电机的功率因数和输出功率。现代 PWM 生成电路大多采用具有高度输出口 HSO 的单片机(如 80196) 及数字信号处理器 DSP( Digital Signal Processo r) , 通过软件编程生成 PWM 。近年来, 新型全数字化专用 PWM 生成芯片 HEF4752、SLE4520、M A 818 等达到实用化, 并已实际应用。1.3.2矢量变换控制技术众所周知, 直流电动机双闭环调速系统具有优良的静、动态调速特性, 其根本原因在于作为控制对象的他励直流电动机电磁转矩能够容易而灵活地进行控制。而交流电动机是个多变量、非线性、强藕合的被控对象, 作为变

38、频系统的控制对象它是否可以模仿直流电动机转矩控制规律而加以控制呢?矢量控制理论是由德国的 F.Blaschke 在1971 年首先提出的910，它是从电机统一理论、机电能量转换和矢量变换理论的基础上发展起来的，基本思想是把异步电动机模拟成直流电机来控制。通过矢量变换将异步电动机的定子电流在按转子磁场定向的同步旋转的坐标系上进行分解，得到励磁电流分量和转矩电流分量，对它们分别进行控制即可得到与直流电机相同的控制特性。矢量控制系统的成功实施，消除了以往标量控制的缺陷，同时又大大提高了控制系统的实时控制性能，使得交流异步电机的变频调速无论是机械特性，还是动静态特性，都达到了与直流电机相媲美的境地，从

39、而将交流电机的变频调速推向了更为广泛的应用领域11。1.3.2.1 20 世纪 70 年代矢量控制技术的诞生矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制，也就是把磁场的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向均由瞬时值来表示。这个理论是 1968 年 Darmstader 工科大学的 Hasse 博士初步提出的。在 1971 年德国西门子公司 F.Blaschke 博士等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国 P.C.Custman 与A.A.Clark 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”奠定了矢量控制的基础。矢量控制实现了交流电机磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的动态

40、特性有了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。矢量控制包括坐标变换和旋转以及其他一些包含非线性的复杂运算，其运算处理的规模比直流调速大若干倍，以当时的控制系统无法进行实时控制。而由普通晶闸管构成的逆变器必须有复杂的换流电路才能工作，一方面降低了系统的可靠性，另一方面，由于逆变器的开关频率很低，不能适应矢量控制中电压电流的快速变化。因此 20 世纪 70 年代矢量控制并未走入实用，但德、美、英、法、意、加拿大等发达国家以当时的及日本都十分重视矢量控制技术的研究，做了大量的研究工作。1.3.2.2 20 世纪 80 年代矢量控制技术的发展欧洲是矢量控制技术的诞生地，其研究水平一直走在世界的前列。在从

41、 20 世纪 80 年代中期到 20 世纪 90 年代初期，欧洲电力电子会议（EPE）论文集中涉及到矢量控制的论文占有很大比例。在这当中，德国 SiEMENS 公司、Aachen 技术大学电力电子和电气传动研究院和德国 Braunchweig 技术大学 W.Leonhard、R.Gabriel、G.Heinemann 等教授更是为矢量控制的应用做出了突出贡献，在应用微处理器的矢量控制研究中取得了许多重大进展，促进了矢量控制的实用化。由于需要直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。尽管如此，矢

42、量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中。而无速度传感器矢量控制（省去了轴角编码器）12和其他驱动算法也随后出现，并且这些改进仍在不断加速中。1.3.2.3 20 世纪 90 年代矢量控制应用交流电气传动的迅速发展，一方面离不开电力电子器件不断的发展和进步。交流调速技术的重大变革是以电力电子器件的发展为先导的。从 20 世纪 50 年代后期的可控硅（SCR），发展到 20 世纪 60 年代的门极可关断晶闸管（GTO）、大功率双极型晶体管（GTR），以及 80年代以后出现的金属氧化半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、智能功率模块（IPM）、集成门极换向晶闸管（IGC

43、T）等等。尤其是 IGBT 的出现，迅速促使成熟可靠的交流调速产品进入各个工业领域。可以说，这些新型电力电子器件的发展给高性能交流调速技术的发展奠定了坚实的物质基础。另一方面，交流调速控制技术，尤其是复杂的矢量控制算法的实现，离不开微处理器技术和数字化控制技术取得的巨大进步。DanfossDrives 公司产品经理 TomMomberger 的观点是：“将微处理器技术应用于变频驱动器是今天交流驱动器性能提高的主要原因”。1992 年开始，德国西门子开发了 6SE70 通用型系列，通过 FC、VC、SC 板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制，1994年将该系列扩展至 315kW 以上。矢量

44、控制核心理论的提出与以 DSP 为代表的高性能处理器的通用化，再加上电力电子器件取得的进步，并辅以现代控制理论，这四大因素的结合给电气传动领域带来 4 了深刻的变革。数字信号处理器（DSP）的高速运算能力使矢量控制尤其是 1983 年 R.K.Joenen 提出的无速度矢量控制（SensorlessVectorControl，SVC）系统的软硬件结构得到简化，这就为性能更优的SVC 方案的实施提供了物质保证。而 IGBT 的进一步发展也为 SVC 的应用提供了更好的舞台，iGBT 除了提高功率器件的开关速度，IGBT还允许迅速地调整电机的工作电压。这使带宽相当高的无速度矢量控制成为可行，并能快

45、速、高精度地控制转速（velocityprofiling）与定位。SVC 的实现吸引了产业界人士的广泛关注，ToshibaGE、Yaskawa 等公司于 1987 年分别发表了研究成果95年后 ，Siemens、Yaskawa、ToshibaGE、Rockwell、Mistubishi、Fuji 等知名公司纷纷推出自己的 SVC 控制产品，控制特性也在不断提高，无速度传感器矢量控制向高性能通用变频器迈出了一大步1314。1.3.3直接转矩控制技术1985 年, 德国鲁尔大学的 M Depenbrock 教授通过对瞬时空间理论的研究, 提出了直接转矩控制理论， 其原理是让电动机的磁链矢量沿六边形

46、运动。随后日本学者 i Taka-hashi 提出了磁链轨迹的圆形方案。与矢量变换控制不同，直接转矩控制不须考虑如何将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，该控制方法是在电机定子坐标上直接计算出磁链的模和转矩大小，然后通过磁链和转矩这两个滞环比较器实现PWM信号和控制系统的动态性能，而不需要像矢量控制那样复杂的坐标变换算法。从理论上看 ( 在定子坐标系下分析交流电机的数学模型), 直接转矩控制是控制电机的磁链和转矩, 而电机主要控制的是转矩, 控制了转矩, 也就控制了速度。由于采用转矩直接控制, 可使逆变器切换频率低, 电机磁场接近圆形, 谐波小, 损耗小, 噪声及温升均比一般逆变器驱动的

47、电机小的多。多年的实际应用表明, 与矢量控制法相比直接转矩控制可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。因此, 交流电动机直接转矩控制也是一种很有前途的控制技术。1.3.4现代交流调速系统的发展趋势纵观交流调速技术的发展, 可以看出现代交流调速技术未来的发展趋势和动向：( 1) 智能化控制方法对交流调速系统的影响研究；( 2) 改善交流调速系统效率的方法研究；( 3) 中压变频装置的研究；( 4) 系统可靠性的研究。围绕以上四个方面, 现代交流调速技术研究与开发的主课题如下1617:矢量控制系统虽然实现了异步电动机磁通电流和转矩电流的完全解藕, 但由于电机参数的不确定性、纯滞后或非线性耦合等特性,

48、 以及电机转子参数估计的不准确及参数变化的影响都会造成定向坐标的偏移, 这些问题至今国内外并未真正解决, 因此, 转子参数辨识及针对参数变化的自适应控制是今后矢量控制研究的攻坚课题。近几年来, 在许多工业过程控制系统中, 被控对象往往存在着结构和参数的不确定性、纯滞后或非线性耦合等特性, 难以用准确的数学模型描述, 因此, 用常规线性控制算法难以满足电动机调速性能的要求。模糊控制、人工神经网络等不依赖于对象的深层次知识, 而是通过输入、输出信息进行仿人思维的智能化控制方法开始引入到交流调速系统中,成为交流调速控制技术新的研究方向。直接转矩控制技术18在应用实践中不断完善和提高, 其研究的主攻方

49、向是解决低速时电机定子参数对磁链运动轨迹的影响; 进一步提高低速时的控制性能, 扩大调速范围。取消通过机械连接的测速发电机及其他测速传感器, 实现无硬件测速传感器的交流调速系统已有应用, 但是转速推算精度和控制的实时性有待于进一步深入研究与开发。 提高调速系统的效率是现代交流调速技术解决的重要问题之一。要提高调速系统的效率, 就必须提高变频器输出效率和改善电机的使用性能。因此,提高调速系统效率的具体解决方法是开发研制新型变频器主电路, 主要措施是降低电力电子器件的开关损耗。如使电力电子器件在零电压或电流下转换, 即工作在所谓软开关0 状态下,从而使开关损耗降低到零19。目前, 电力电子逆变器正

50、朝着高频化、大功率方向发展,这使装置内部电压、电流发生剧变, 不但使器件承受很大的电压、电流应力, 而且在输入、输出引线及周围空间里产生高频电磁噪声, 引发电气设备误动作, 这种公害称为电磁干扰( Electro M agnet ic i nterference) 。抑制电磁干扰的有效方法也是采用软开关技术。具有软开关功能的谐振变流器在国内外都在积极进行研究与开发。1.4论文的主要研究内容本文在调研电动汽车及其电机驱动系统的基础上，主要研究和设计了转子磁场定向的异步电机矢量控制系统；深入研究了异步电机数学模型、转子磁场定向矢量控制系统，以及SVPWM生成原理，并进行了基于SVPWM调制的异步电

51、机矢量控制系统的仿真。第二章 异步电机的矢量控制系统在研究异步电动机的数学模型时，做如下的假设：1）忽略空间谐波，设三相绕组队称，在空间互差电角度，所产生的磁动势延气隙按正弦规律分布；2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；3）忽略铁心损耗；4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。无论是异步电动机转子是绕线型还是笼型，都可以等效成三相绕组转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。异步电动机的三相绕组可以是Y联结，也可以是联结。 图2-1异步电动机的物理模型三相异步电动机的物理模型20如图2-1所示，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是固定的，转子绕组轴线a、b、c以角速

52、度随转子旋转。如以A轴为参考坐标轴，转子a轴与定子A轴间的电角度为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。2.1坐标变换异步电动机的三相原始动态模型相当复杂，分析和求解这组非线性方程十分困难。在实际应用中必须予以简化，简化的基本方法就是坐标变换。2.1.1三相两相变换（3/2变换）三相绕组A、B、C和两相绕组之间的变换、称为三相坐标系和两相正交坐标系间的变换，简称3/2变换。图2-2 三相坐标系和两相正交坐标系图2-2中绘出了ABC和两个坐标系中的磁动势矢量，将两个坐标系原点重合，并使A轴和轴重合。设三相绕组每相有效匝数为N3，两相绕组每相有效匝数为N2

53、,各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于相关的坐标轴上。按照磁动势相等的等效原则，三项合成磁动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组磁动势在、轴上的投影应该相等。再按照变换前后总功率不变，可以得到：用表示从三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵，则 （2-6）相应的逆变换，即两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称2/3变换）的变换矩阵 （2-7）2.1.2静止两相旋转正交变换（2s/2r变换）从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系d-q的变换，称为静止两相-旋转正交变换，简称2s/2r变换，其中s表示静止，r表示旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相等。 图2-3 静止两相正交坐标系与旋转正交坐标系的磁动势矢量图2- 3绘出了和d-q坐标系的磁动势矢量，绕组每相有效匝数均为N2，磁动势矢量位于相关坐标轴上，两相交流电流和和两个直流电流、产生相同的以角速度1旋转合成的磁动势F。d-q轴与轴相对夹角为。由图可见， 和 之间存在这样的关系： （2-8）可以得到，静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换矩阵为 （2-9）则旋转正交坐标系到静止两相坐标系的矩阵形式是 （2-10）以上只推导了电流变换阵，在前述条件下，电压和磁链的旋转变换阵和电流旋转变换阵相同。2.2三相异步电机数学模型异步电动机的数学模型由磁链方程、电压方程、