（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式的电动汽车用pmsm的驱动与制动优化研究.pdf

武汉理【大学硕士学付论文 摘要 本论文结合湖北省科技攻关项目电动汽车用永磁同步电动机智能控制 系统，把永磁同步电机的直接转矩控制策略和制动能量回收方案用于电动汽车 的电机驱动和制动的优化中，为提高系统效率提供理论和初步的实践依据。 首先，为提高电动汽车一次充电续行里程，为电动汽车用p m s m 系统研究 了采用模糊逻辑的直接转矩控制( d 1 r c ) 效率优化策略。针对电动汽车的运行特 点，在分析了一般应用的p m s m 系统输入功率最小效率优化策略不足的基础上， 为满足电动汽车用p m s m 系统效率优化的快速性要求，得出新的效率优化控制 策略，其核心是在输入功率最小效率优化方法基础上应用模糊逻辑控制并采用 转矩补偿策略加速系统控制变量寻优过程的收敛速度。并进行相关实验说明这 种效率优化策略应用于电动汽车用p m s m 系统的有效性。 其次，研究并仿真了直接转矩控制( d t c ) 方式在电动汽车用p m s m 上应用 的效果。在详细分析d t c 应用于p m s m 的基本原理基础上，研究了零电压矢量 在p m s md t c 中的作用并提出电动汽车用p m s m 电压空间矢量的选择方法。 分析了d t c 方式下p m s m 定子磁链给定原则，得到p m s m 系统在d t c 方式下 的效率优化方法给出p m s mf u z z y - d t c 方法以提高电动汽车的动力性。进行 电动汽车用p m s m 系统的整体性能仿真，仿真结果说明采用d t c 的p m s m 系 统能够满足电动汽车驱动应用的性能要求。 同时，研究了制动能量回收控制系统的设计方案。电动汽车制动时，驱动 电机可以运行在发电状态，向外馈送电能。如果将汽车制动能量回馈给蓄电池， 对其充电，这对延长电动汽车的行驶距离是至关重要的。制动能量回收牵扯到 电动汽车机械传动，电机与电池各个部分，要综合考虑汽车动力学特性、电机 发电特性、电池安全保证与充电特性等多方而的问题。目前在国内，制动能量 回收的研究还处在初级阶段。本文对此作了一些积极的探索，得出了一些有益的 结论。 关键词：永磁同步电机，直接转矩控制，能量回馈，嵌入式 武汉理i ：人学硕士学位论文 a b s t r a c t t l l i st h e s i ss t u d i e st h ei t e m - t h er e s e a r c ho l la u t o m o i b l ec o n t r o l l e db yp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) c o n t r o ls y s t e m , t oa t t e m p tt h e o r ya n a l y s i s , r e s e a r c ht h eo p t i m i z a t i o no nt h ed r i v i n gc o n t r o lm e t h o da n db r a k i n g - e n e r g yr e c o v e r y s o l u t i o nf o rp r o v i d i n gt h ep r i n u l r yp r a c t i c a ip r o o f a n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo f t h e p m s ms y s t e m f i r s to fa 1 1 a ne m c i e n c y - o p t i m i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e ：g yf o rp m s ms y s t e mu s e di n e vi sp r e s e n t e di n0 r d e l t oe x t e n dm a dh a u lp e rc h a r g e i nv i e wo ft h eo p e r a t i o n c h a r a c t e r so fp m s mf o re va p p l i c a t i o n , an o v e le f f i c i e n c y - o p t i m i z a t i o nc o n t r o l s t r a t e g yi sp r e s e n t e dt om e e tt h ed e m a n do fr a p i d i t ya f t e ra a a l y 五n gt h ed e f e c to f e f f i c i e n c y - o p t i m i z a f i o nc o n t r o ls t r a t e g yo f p m s ms y s t e mw i t hm i n i i n u n li n p u tp o w e r i no r d i n a r ya p p l i c a t i o n o nt h eb a s i so fo r d i l l a r ye f f i c i e n c y - o p t i m i z a t i o nc o n t r o l s t r a t e g yw i t hm i n i m u mi n p u tp o w e r , t h en e ws t r a t e g ya d o p t sf u z z y1 0 9 i cc o n t r o l m e t h o da n dt o r q u ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g yt oa c c e l e r a t ec o n v e r g e n c emp r o c e s so t o p t i m i z i n gc o n t r o l l e dp a r a m e t e r r e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t et h ev a l i d i t yo ft h e e f f i c i e n c y - o p t i m i z a t i o ns t r a t e g y s c e o n d d i r c c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) s t r 4 t e g yf o rp m s mi ne va p p l i c a t i o ni s s t u d i e da n dd t cs y s t e mi sa l s od e v e l o p e d o nt h ed e t a i l e da n a l y s i so fp m s md t c p r i n c i p l e , t h ef u n c t i o no f z e r ov o l t a g ev c ：c l f o ra n dt h ec h o i c em e t h o do f v o l t a g ev e c t o r i l le vd r i v i n ga l ep r o p o s e d r e s t r i c t e dc o n d i t i o na b o u ts t a t o rf l u xl i n k a g eu n d e rd t c i sa n a l y z e d a f t e r w a r d s ，c o n t r o lr u l e so ns t a t o rf l u xl i n k a g er e f e r e n c ea r eg i y e n , a n d t h e na ne 衢c i e n c y - o p t i m i z a t i o nm e t h o df o rp m s ms y s t e mu n d e rd 1 r ci sp r e s e n t e d a f u z z y - d t cm e t h o di sa p p l i o dt oi m p r o v et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f e vs i m u l a t i o n r c s u l t so f e vs y s t e ms h o wt h a tp m s ms y s t e mu n d e rd t ci sa b l et om e e tt h en e e d so f e v d r i v i n g f i n a l l y , t h ed e s i g nf o rb r a k i n ge n e r g yr e c o v e r ys y s t e mi ss t u d i e d d u r i n gt h e b r a k i n gp r o c e s so fe v , d r i v i n gm o t o rc a n r u no i lt h es t a t er e g e n e r a t i o n 觚ds u p p l y e l e g t t i ce n e r g yo u t s i d e i f s o m ei d n c t i ce n e r g yo f v e h i c l ec a nb er e c o v e r e da n dc h a r g e t h es t o r a g eb a t t a r y , i tw o u l db eac r u c i a lw a yt oe l o n g m et h ed r i v i n gm i l e so fe v b r a k i n ge n e r g yr e c o v e r yi n v o l v e st r a n s m i s s i o nm e c h a n i c a ls y s t e mo fe v , d r i v i n g m o t o ra n db a t t e r y , a n di ti sn o c e s s a r yt os y n t h e t i c a l l yc o n s i d e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so f v e h i c l ek i n e t i c s ，g e n e r a t i n gm o t o r c h a r g i n go fb a t t e r ya n di t ss a f eg u a r a n t e e c u r r e n t l y , t h es t u d yo bb r a k i n ge n e r g yr e c o v e r yi nc h i n ai ss t i l lo i lt h ep r e l i m i n a r y s t a g e t h et h e s i sm a k e ss o m ep o s i t i v ee x p l o r ea b o u tt h i sp r o b l e r na n da c h i e v es o m e v a l u a b l eo u t c o m e s k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ，p o w e rf e e d b a c k , d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ，e f f i c i e n c y - o p t i m i z a t i o n , e m b e d d e ds y s t e m i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：燃日期：坦2 互i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印侔，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印，缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定j 研究生( 签名) ：颦导师( 签名) ：i 绛车 日期：2 1 堑1 武汉理i ：大学硕士学位论文 1 1 论文的研究背景 第1 章绪论 永磁同步电动机( ( p m s m ) 系统具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的 转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱 磁性能，在电动汽车特别是高档电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，已经 受到国内外电动汽车界的高度重视，并已在日本得到了普遍应用，是最具竞争 力的电动汽车驱动电机系统【1 1 1 2 1 。 电机作为一种机电能量转换装置，已经广泛应用于国民经济的各个领域及 人们的日常生活当中。电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一 种电磁装置。电机按运动方式分类如下1 3 】1 2 2 1 ； f 静止电机一变压器 电机jr 直流电机 i 旋转电机j 、 l 交流电机l 异步电机 。 f 同步电机 由于控制简单，长期以来在要求较高的场合，直流电机一直占主导地位。 但是它存在一些固有的缺点，例如电刷、换向器易损耗，需要经常维护，换向 器会产生火花，限制了电机的最高转速和过载能力，且无法直接应用在易燃易 爆的工作场合。而交流电机特别是感应电机则没有上述缺点和限制，转子惯量 较小，动态响应更好。一般而言，同样体积的交流电机的输出功率比直流电机 高。此外，交流电机容量可以制造得更大，达到更高的转速和电压。因此，由 于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究 与开发。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流电机的 发展提供了强有力的技术条件和物质基础。 交流电机虽然结构较简单，其控制却比较复杂。交流异步电机价格便宜， 武汉理工大学硕士学位论文 运行可靠，但不能经济地在较宽的范围内实现平滑调速，且需要吸收滞后的励 磁电流，功率因数和效率都较低。 。 由于永磁同步电机( p e r m a n e n t - m a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e s ，p m s m ) 具有 体积小、重量轻，功率密度高、效率和功率因数高( 功率因数等于l 或者接近1 ) 等明显的特点，在7 0 年代末和8 0 年代初引起了从事电机及其驱动系统技术研 究的学者和研究人员的广泛关注。 我国占有世界蕴藏8 5o , 以上的稀土资源1 4 1 ，在开发高磁场永磁材料( 特别是 钕铁硼) 方面具有得天独厚的有利条件。目前我国的钕铁硼永磁材料特性水平己 经达到了世界先进水平。 相对于交流异步电机，永磁同步电机具有以下特点： l 、效率高。永磁同步电机用永磁体取代电磁场，无励磁损耗。由于损耗小， 发热低，因此效率也高； 2 、机械特性较硬。对于因负载变化引起的电机转矩的扰动具有较强的承受 力： l 3 、电机的转速与电源频率间保持准确的同步关系。控制电源频率就能控制 电机转速。在电源频率不变动的情况下转速不会改变，即使电压幅值波动或负 载变动都会运转在同步转速，这种特性非常适用在高精度定转速的负载场合。 正因为永磁同步电机具有如此优异的特性，同时，随着上世纪8 0 年代稀土 钕铁硼( n d f e b ) 作为高性能永磁材料的诞生和先进控制策略的研究应用，使永磁 同步电机得到迅速发展。目前，永磁同步电机己经在各个领域得到了广泛应用。 美国g e 等公司批量制造出用于计算机外存储器的音圈电机及永磁汽车起动电 机：德国西门子公司经过十多年的努力，采用多种结构，研制成功用于化纤工业 的高速永磁电机和用于交流调速的i u a 3 系列永磁同步电机。另外，混凝土搅拌 杌、轮船推进机、冰箱空调中的制冷机、计算机硬盘驱动器电机、豪华轿车用 起动电机、机器人控制等越来越多地采用永磁同步电机。 而在本课题中，结合湖北省科技攻关项目( 项目编号g 5 5 ) 一电动汽车用永磁 同步电动机智能控制系统，也正是由于永磁同步电机的上述优点，使得其在电 动汽车驱动方面具有很高的应用价值。同时这也受到国内外电动汽车界的高度 重视，并已在日本得到了普遍应用，是最具竞争力的电动汽车驱动电机系统。 国内许多单位如武汉理工大学、中科院电工所、哈尔滨工业大学、沈阳工业大 学也已开展p m s m 在电动汽车中应用的研究m 。 武汉理f 。人学硕士学位论文 目前，在p s m s m 电机本体方面取得了很大的成果，主要有：考虑饱和影响 的电动汽车用内置式p m s m 模型的建立和分析：不同应用场合电机的极数选择； 于电磁场有限元分析的电机设计；外转子直接驱动p m s m 减少转矩脉动的磁极 形状优化；p m s m 的功率特性、弱磁能力分析、定子绕组换接等。其中h a l b a c h 永磁体磁路结构，可以产生严格按正弦规律分布的气隙磁场，从而保证反电动 势的正弦波形，使气隙中的磁通增加，转子轭部磁通减小，提高了永磁电机磁 负荷与力能密度，对于大功率的多极永磁电机效果尤为显著。电动汽车用p m s m 需比一般p m s m 具有更高的转矩密度，因此具有更严重的交直轴磁路耦合和磁 路局部饱和，无法用路的方法进行精确设计。而且电动汽车驱动具有各种不同 的运行工况，应研究面向电动汽车驱动应用的p m s m 场路结合计算方法。p m s m 参数不同，电机具有不同的高低速驱动能力，对电动汽车的续行里程有重要影 响，应根据电动汽车的不同应用目的和场合，合理选择驱动电机参数。因此， 电动汽车用p m s m 的设计应采用场路结合的计算方法，考虑电动汽车的应用特 点，合理( 优化) 选择电机参数。在保证电机最高转速的静提下，降低p m s m 的 转折转速有利于提高电机的低速转矩并降低电机的功率等级，这对要求低速大 转矩的电动汽车驱动具有特别重要的意义，可在保证电动汽车驱动性能的前提 下，降低逆变器及蓄电池容量，从而降低电动汽车的成本p m s m 的弱磁扩速 能力有限，电机绕组并联支路数转换能够在保证系统弱磁扩速能力的同时起到 提高系统低速转矩的目的。目前已有文献对并联支路数转换的原理、方法、参 数变化进行了研究，还有必要对该方法的实现及实用性进行进一步的分析 1 2 交流调速理论永磁同步电机控制技术的发展现状 传统的交流电机调速的控制方案主要有调压调频控制( 、，、，、，f ) 、矢量控制 ( f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，即f o e ) 和直接转矩控制( n i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，即d t c ) 。 、n r 、伊的控制变量是电机的外部变量，即电压和频率。控制系统将参考电压和频 率输入到实现、z 的调制器中，由逆变器产生一个交变的正弦波电压施加在 电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。逆变器调制采用 p w m 方式。v v v f 属于开环控制，无需从电机端部引入电压、电流或速度、位 置等反馈信号。由于没有引入反馈信号，无法即时观测电机状态，不能精确控 制电磁转矩，仅适于风机、水泵等无需精确控制的场合。 3 武汉理i 人学硕士学位论文 1 矢量控制 1 9 7 1 年，由德国西门子公司的e b l a s c h k e 提出的矢量控制理论将交流传动 的发展向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本 原理为：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正 交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方 向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得象直流电 机一样良好的动态特性。磁场定向矢量控制的优点是有良好的转矩响应，精确 的速度控制，零速时可实现全负载。但矢量控制方法在实现时要进行复杂的坐 标变换，并需准确观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完 全解祸，使其控制效果打了折扣。但是选用高性能的d s p 和高精度的光电码盘 转速传感器，调速范围可达1 ：1 0 0 0 ，动态性能也很好。 2 直接转矩控制 1 9 8 5 年，d e p e n b r o e k 教授提出异步电机直接转矩控制方法。该方法只是 在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制， 省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。其磁场定向所用的是定子磁链，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，很大程度上克服了矢量控制的缺 点。这种砰一砰控制可以获得快的动态转矩响应，按定子磁链控制，避免了转 子参数变化的影响。但它会引起转矩脉动，带积分环节的电压型磁链模型在低 速时误差大，这都影响系统的低速性能。低速时改用电流型模型，可减小磁链 误差，但又受转子参数变化影响，牺牲了鲁棒性好的优点。 v c 和d t c 控制技术的特点比较如表卜l 所示： 4 武汉理j 人学硕十学位论文 表1 1 d t c 与v c 的比较 特点性能d t cv c 提出时间 1 9 8 5 德国m d c i u m b r o c k 1 9 7 2 德国e b l a s c h k c 磁链控制定子磁链转子磁链 转矩控制砰砰控制，脉动 连续控制，平滑 坐标变换静止坐标3 妒a - b 变换旋转坐标3 矿d q 变换 转子参数变化影响高速时无影响，低速时有影响高低速均有影响 调速范围不够宽较宽 d s p 设计系统结构简单，手段直接担负大量工作，系统复杂 除了前面的矢量控制和直接转矩控制以外，以这两种方法为基础，还有很多 的控制方法，主要有： 3 自适应控制 自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完 善，所以是克服参数变化影响的有力手段。应用于电机控制的自适应方法有模 型参考自适应、参数辨识自校正控制以及新发展的各种非线性自适应控制。但 所有这些方法都存在的问题是：一是数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂化； 二是辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，会因来不 及校正而难以产生很好的效果 4 滑模变结构控制 滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它与常规控制的根本区别 在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。其主要特 点是，根据被调量的偏差及其导数，有目地的使系统沿设计好的“滑动模态” 轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关，因而使 系统具有很强的鲁棒性。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以很 容易实现。在过去l o 多年里，将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外 学者的研究热点，并已取得了一些有效的结果。但滑模变结构控制本质上的不 连续开关特性使系统存在一抖振”问题，主要原因是：一是对于实际的滑模变 结构系统，其控制力总是受到限制的，从而使系统的加速度有限；二是系统的 惯性、切换开关的时自j 空闯滞后及状态检测的误差，特别对于计算机的采样系 武汉理工大学硕士学何论文 统，当采样时间较长时，形成。准滑模”等。所以，在实际系统中抖振必定存 在且无法消除，这就限制了它的应用。 5 智能控制 智能控制理论是自动控制学科发展里程中的一个崭新阶段，与传统的经 典、现代控制方法相比，具有一系列独到之处。首先，它突破了传统控制理论 中必须基于数学模型的框架，不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型，只 按实际效果进行控制。其次，继承了人脑思维的非线性，智能控制器也具有非 线性特征；同时，利用计算机控制的便利，可以根据当前状态切换控制器的结 构，用变结构的方法改善系统的性能。在复杂系统中，智能控制还具有分层信 息处理和决策的功能。 利用智能控制的非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服交流伺服系统 变参数与非线性等不利因素，可以提高系统的鲁棒性。目前智能控制在交流伺 服系统应用中较为成熟的，有模糊控制和神经网络控制，而且大多是在模型控 制基础上增加一定的智能控制手段，以消除参数变化和扰动的影响。 1 9 6 5 年美国加利福尼亚大学l a z a d e h 教授首先提出了模糊集合的概念， 模糊控制的理论研究与系统应用迅速发展，并取得重大进步。1 9 7 4 年英国伦敦 大学e h m a m d a n i 教授利用模糊控制语句组的模糊控制器，应用于锅炉和汽轮 机的运行控制，并在实验室获得成功，这是模糊控制最早的应用成果。其后产 生了许多应用的例子。其中比较经典的有：换热过程的控制，暖水工厂的控制， 污水处理过程控制，交通路口控制，水泥窑控制，飞船飞行控制，机器人控制， 汽车速度控制，水质净化控制，电梯控制。核反应堆控制，并且生产出了专用 的模糊芯片和模糊计算机。 模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型 的对象实施的一种控制方法，是模糊数学与控制理论相结合的产物，是智能控 制的重要组成部分。模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中 的模糊性，使控制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法， 它包括精确量的模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。模糊控制具有以下几个 特点： 设计模糊控制系统时，不要求知道被控对象精确的数学模型，只需要提供 现场操作人员豹经验知识及相应的操作数据； 模糊控制系统的鲁棒性强，适于解决常规控制难以解决的非线性、时变、 6 武汉理i ：人学硕士学位论文 滞后系统； 模糊控制是用语言变量代替常规的数学变量，构成模糊推理规则库； 模糊控制的模糊推理是一种不精确的推理方式，是模仿人的思维过程。 交流电动机具有非线性、强耦合、多变量等特点，所以，将模糊控制应用 到交流电动机的控制有着非常大的优势，至今己取得许多研究及实验结果。而 且，模糊控制与其他控制方式的结合也得到广泛的应用。 早期的模糊控制器只是以取代传统p i d 控制器为目的，鲁棒性虽有所加强， 但一般模糊控制器没有积分作用，在传动系统有负载扰动时会出现静差，而增 加了积分效应的模糊控制器，虽相当于变系数p i d 调节器，可以实现无静差控 制，但是单纯地将一个简单的传统模糊控制器用于高精度电机传动系统，还不 能得到令人十分满意的性能。模糊控制系统只有与其他控制方法相结合，才能 获得优良的性能。 神经网络控制在交流传动中的应用主要有下面几个方面：1 ) 代替传统p i d 控制；2 ) 由于实际的矢量控制效果对传动系统参数很敏感，将神经网络用于电机 参数的在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整；3 1 感应电机矢 量控制需要知道转子磁通的瞬时幅值与位置，无速度传感器矢量控制还需要知 道转速，神经网络被用来精确估计转子磁通幅值、位置及转速；4 ) 结合模型参考 自适应控制，将神经网络控制器应用于自适应速度控制器。 虽然将智能控制用于交流传动系统的研究己取得了一些成果，但是有许多问 题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能( 如稳定性和鲁棒性) 缺少客观的理论预见性，且设计一个系统需获取大量数据，设计出的系统容易 产生振荡。 各种控制策略既有其自身优点，也存在一些不足。因此，将各种控制策略相 互渗透复合，克服单一控制策略的不足，提高整个系统的性能，以满足各种应 用场合的需要，已是当前的研究热点。 综上所述，交流电机控制技术与系统控制策略的发展为提高交流电机控制 系统的性能提供多种多样的手段。其中，d t c 作为一种现代先进的电机控制技 术，其控制策略优秀的动态响应性能及对电机参数的鲁棒性，引起了业界的热 切关注。该方案提出后就受到国内外专家学者的关注。到1 9 9 5 年a b b 公司生 产的第一台采用d t c 控制策略的异步电机高档变频器的面世，才真正实现理论 到产品的转化。尽管d t c 控制策略在异步电机上获得了重大的成功，但这项技 7 武汉理l ：大学硕士学位论文 术却没有能真正用于同步电机上。真正的原因在于同步电机运行机理和异步电 机有本质的不同。异步电机d t c 是建立在电机转差角频率控制的理论基础上的。 而同步电机并不存在这种转差角频率正是由于这个原因，d t c 策略在同步电 机上没有能够快速地得到应用。直到1 9 9 6 年英国的f r e n c h c 和a c a m l e y p 发表 了关于p m s m 的d t c 的论文，1 9 9 7 年由澳大利亚的z h o n gl 。r a h m a nm f 教 授和南航的胡育文教授等合作提出了基于p m s m 的d t c 方案，初步解决了d t c 控制策略在p m s m 上应用的理论基础。有了这个理论基础，p m s m 的d t c 控制也成了众多学者研究的一个热点。就目前而言，永磁同步电机控制的直接 转矩控制主要有以下一些控制方案： 1 、通过选择最优的开关电压矢量来直接控制电磁转矩和定子磁链； 2 、通过选择最优的开关电压矢量来直接控制电磁转矩和定子的d 轴电流； 3 、通过选择最优的开关电压矢量来直接控制电磁转矩和反作用转矩。 因此本课题在p m s m 的d t c 控制策略方面做相应的研究。 i 1 3 制动能量回收技术发展现状 本课题所要解决的系统中另一重要问题，就是制动能量的自动回收。众所 周知，电机可以运行在电动机状态，也可以运行在发电机状态。当发电机的运 行状态为再生制动时，可以把系统的动能转换为电能回馈给电网。与此相对应， 在电动汽车刹车时，如果驱动电机工作在再生发电状态，既可在轴上产生刹车 所需的制动转矩，又可将车体的动能转换电能，通过给电池充电，回收部分能 量，提高电动车的持续行驶能力在城市工况中，汽车需要较频繁的启动与制 动，有关研究表明，如果有效地回收制动能量，电动汽车的行驶距离将提高百 分之十到百分之三十。 由于制动能量回收涉及到电池性能，驱动电机性能，整车控制等各个方面， 目前国外电动车的制动能量回收系统的研究还处于实验阶段，但有一些系统已 经投入实际运行。国内在这一领域的研究基本处于空白，仅有的一些研究还处 于如何构造电机的控制电路实现制魂能量回馈和简单的制动力分配模型阶段。 下面简要介绍一下国外有代表性的h e v a n 系统【冽。 h e v a n 系统是比利时f l e m i s h 技术学院研制的混合电动车概念实验平台。 h e v a n 的能量回收系统是通过对永磁直流电机控制而实现的，其控制算法的主 8 武汉理f 大学硕十学位论文 要思路是在低速时提高电机的电动势，以回收制动能量。 在制动能量回收阶段，h e v a n 系统用于提高电机电动势的方法主要有两种， 增强磁场和逆变电压( b o o s tu pc o n v e r s i o n ) 。 经对比实验可得如下结论： ( 1 ) 系统应用交流电机在低速时回收制动能量的效果要好于直流电机，但是 电机在低速时力矩较小，总效率较低。 ( 2 ) 在低速时，逆变升压有一两个好处：可回收的充电电流较大并且由于不 需要逆变时间，控制较容易。 此外，回收能量与发电机发电效率和制动距离有关。在满足制动时间要求 的前提下，通过调节电机制动转矩可控制电机转速，从而控制回收充电电流值。 1 4 研究的目的和论文主要工作 1 4 1 论文研究的目的意义 当前国际上的交流调速技术发展相当迅速，各类控制策略应用的研究也很 迅速，其中以德、日等国的技术领先于其他国家。相比较而言，国内在这方面 的发展起步较晚，发展相对滞后，虽然近年来发展比较迅速，但和国际上的发 展水平还存在一定的差距，特别是在先进控制策略的产业化力面，与国际上还 有一小小的差距州。随着现代工业的发展，包括先进制造与自动化技术的发展， 对交流调速技术的要求必然会越来越高。中国的变频器市场总的潜在市场应为 1 2 0 0 - 1 8 0 0 亿元，目前常压变频器约占市场份额的8 0 0 4 左右，远期中高压变频器 市场份额将不断提升至4 0 左右，发展前景相当乐观。目前国内变频器市场销 售大约为每年5 0 0 - 7 0 0 万k w ，国外品牌仍占据了绝大部分市场，国产变频器所 占市场份额不超过3 0 m 。对于起步不久的国内企业和研究者而言，开发和研制 高性能的交流调速系统是十分必要的。在d t c 控制策略中，转矩作为一个直接 控制目标量，在闭环控制过程中以反馈的形式参与控制，因此控制系统具有良 好的转矩响应特性。同时，为了适应d t c 控制过程中对于控制策略快速响应的 需要，越来越多的引入d s p 作为处理器件，更好地配合系统完成控制过程。作 为一种高效能的控制策略，在理论研究完善的基础上，在实际应用中将会得到 吏好的推广。 9 武汉理工大学硕十学位论文 同时，对于电动汽车而言，由于电机具有可逆性，即电动机在特定的条件 下可以转变成发电机运行，因此可以在制动时采用回馈制动的办法，使电机运 行在发电机状念，通过设计好的电力装置将制动产生的回馈电流充入储能装置 中，回收一部分可观的惯性能量，提高能量利用效率。 目前，直接转矩技术产品在现实应用中并不多见，本论文结合湖北省科技 攻关项目一电动汽车用永磁同步电动机智能控制系统的研究，尝试前沿理论研 究，研制出系统样机，把直接转矩技术的永磁同步电机控制系统应用到电动汽 车中，提供理论和初步的实践依据。 1 4 2 主要工作 本文立题为基于嵌入式的永磁同步电机驱动与制动优化研究，针对电动汽 车用永磁同步电机的直接转矩控制策略和制动能量回收方案，做相应的研究， 主要包含以下内容； 永磁同步电机的结构数学模型和运动规律； 控制系统的控制算法的解决； 基于m a t l a b s i m u l i n k 的仿真研究； 制动能量回收方案设计； 第二章中详细介绍p m s m 的数学模型。介绍p m s m 分类、特点、数学模型 和运动方程的建立，同时还介绍p m s m 的d t c 控制理论，其中详细阐述空间电 压矢量的系统结构。 第三章学习了p m s md t c 技术的理论基础，研究了电动汽车用p m s md t c 系统电压空间矢量选择原则，研究了系统的效率优化方法，给出应用模糊逻辑 提高电动汽车动力性的措施。在充分考虑电动汽车的负载性质，运行状态基础 上，对多种工况下的电动汽车用p m s m d t c 系统进行性能仿真，并开发出p m s m 直接转矩控制系统。 第四章初步学习和探讨电动汽车制动模式与蓄电池能量回收的约束条件， 设计了制动能量回收控制器的实现方案，包括主控单元，数据采集和通讯部分。 第五章总结本论文所做的工作，并展望了相关课题进一步研究的内容。 l o 武汉理f ：大学硕十学位论文 1 5 本章小结 基于嵌入式的永磁同步电机控制系统在现实生活中具有巨大的发展空间， 而用直接转矩控制技术来实现在工程应用中并不多见。本章阐述了课题的研究 背景，主要有变压变频控制、矢量控制和直接转矩控制，分别对其进行介绍， 并比较直接转矩控制的好处，电动汽车能量回收技术发展现状，最后阐述课题 的目的意义和本文的内容安排。 武汉理 大学硕士学位论文 第2 章永磁同步电机的结构和数学模型 2 1 引言 2 1 1 永磁同步电机的发展 永磁同步电机的发展与永磁材料工业的发展进步密切相关。目前，永磁同 步电机采用的永磁材料主要有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁材料三大类。稀土永 磁材料主要包括钐钴和钕铁硼。1 9 8 3 年问世的钕铁硼永磁材料，它具有高的剩 磁感应强度、矫顽力和磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。当时的不足 是温度系数大，容易氧化生锈而需涂覆处理。但经过近年来的不断改进提高， 这些缺点大多己经克服。现在钕铁硼永磁材料最高的工作温度己可达1 8 0 ，一 般也可达1 5 0 。，已足以满足绝大多数电机的使用要求。到2 0 世纪9 0 年代初期， 钕铁硼永磁材料已经占据了世界铁磁市场的5 0 1 4 】。 永磁同步电机具有以下的特点： i 、电动机的转速与电源频率始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能 控制电机的转速； 2 、永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电机转 矩的扰动具有较强的承受能力； 3 、永磁同步电机转子上有永久磁铁无需励磁，因此电机可以在很低的转速 下保持同步运行，调速范围宽。 与传统的异步电机相比，永磁同步电机具有以下优点： l 、明显的节能效果。永磁同步电机用永磁体代替电励磁，无励磁损耗，由 于定、转子同步，转子铁心没有铁耗，因此永磁同步电机的效率较电励磁同步 电机和异步电机为高，而且不需要从电网吸取滞后的励磁电流，从而节约了无 功，提高了电机的功率因数。通过实验对比证明，永磁同步电机比异步电机节 电，效率高； 2 、稀土永磁同步电机较异步电机尺寸大大减少，成为高密度、高效率的电 机； 3 、转子结构大大简化，提高了电机运行的稳定性。 交流电机的转矩产生机理电机的励磁绕组和电枢绕组相互独立，而电机转 武汉理工大学硕士学何论文 矩和励磁电流与电枢电流的乘积成正比。当励磁电流一定时，只要控制电枢电 流的瞬时值，就能很好地控制直流电机的转矩，而且不存在时间滞后的影响。 但是很难通过分别控制励磁电流和电枢电流来控制电机转矩。矢量控制和直接 转矩控制是交流电机的两种高性能控制策略，在永磁同步电机驱动控制中的应 用与研究已受到众多学者的广泛关注为了能够更加透彻地理解这两种控制策 略在永磁同步电机伺服系统的应用，本章建立了不同空间坐标系下永磁同步电 机的数学模型。 2 1 2 永磁同步电机的结构 永磁同步电机定子结构与普通同步电机相比，差别不大，由三相电枢绕组 和铁心构成，且三相电枢绕组通常按星形连接。永磁同步电机的转子采用永磁 体，省去了励磁绕组、滑环和电刷，电机结构显得比较简单。永磁同步电机需 要安装转子位置检测器，用于检测转子磁极位置，对电枢电流进行控制，从而 控制永磁同步电机。永磁同步电机常用的转子位置检测器有旋转变压器或光电 编码器，与转子同轴安装。 永磁同步电机具有电磁转矩纹波系数小、动态响应快、运行平稳、过载能 力强等优点，非常适合在负载转矩变化较大的情况下使用；而且它的功率因数 高，在轻载运行时节能效果明显，长期使用时可以大幅度节省电能；另外，电 机体积小、重量轻、结构多样化，应用范围比较广。正是由于永磁同步电机突 出的特点，非常适合在交流伺服系统中的应用，目前己经得到人们越来越多的 关注。 按照永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电机的转子可以分为表面式、 内嵌式和内埋式，如图2 1 所示。前面两种转子结构的永磁体通常呈瓦片形，并 位于转子铁心的表面上，提供径向的磁通，转子直径比较小，从而降低了转动 惯量，内埋式转子结构的永磁体通常为条状，位于转子内部，机械强度高，提 供的磁通的方向与转子的具体结构有关，由于此种转子磁路结构具有不对称性， 产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密度，易于弱磁控制。 武汉理工大学硕十学位论文 圊 吲 ( a ) 表面式( b ) 内嵌式( c ) 内埋式 图2 - l 永磁同步电机转子结构 永磁同步电机通常有两种控制方式：电流控制和电压控制。电流控制主要 应用在模拟控制，有快速的动态响应。电压控制是基于空间矢量p w m 控制，能 提高逆变器的电压输出能力，且开关频率固定，适合于数字控制。 2 2p m s m 数学模型的建立 2 2 1 坐标系和坐标变换 在本文中，将涉及到以下几种坐标系，下面就对几种坐标系进行逐一分析： 1 三相定子坐标系( a s c 坐标系1 p m s m 的定子中有三相绕组，其轴线分别为a 、b 、c ，且彼此间互差1 2 0 。的 空间电角度。当定子通入三相对称交流电时，就产生了一个旋转的磁场。三帽 定子坐标系定义如图2 2 所示。 2 定子静止直角坐标系( d q 坐标系1 为了简化分析，定义一个定子静止直角坐标系即d q 坐标系( 图2 2 ) ，其d 轴 与a 轴重合，q 轴超前d 轴9 0 。如果在d q 轴组成的两相绕组内通入两相对称 正弦电流时也会产生一个旋转磁场，其效果与二相绕组产生的样。因此可以由 两相坐标系代替三相定子坐标系进行分析，从而达到简化运算的目的。 3 转子旋转直角坐标系( d q 坐标系) 转子旋转坐标系固定在转子上( 图2 3 ) ，其d 轴位于转子轴线上，q 轴超前d 轴9 0 。，空间坐标以d 轴与参考坐标d 轴之问的电角度以来确定( 图2 - 4 ) 。该坐 标系和转子一起在空间以转子速度旋转，故相对于转子来说，此坐标系是静止 的，又称为同步旋转坐标系。 4 定子旋转直角坐标系( x y 坐标系) 1 4 武汉理i 人学硕士学位论文 x y 坐标系为随定子磁链旋转的坐标系( 图2 - 4 ) ，定子磁链的方向为x 轴的正 方向，y 轴超i i x 轴9 0 。同时，定义x 轴与d 轴的夹角艿为转矩角，x 轴超前。 f d ) d d 图2 - 2 a b c 和d q 坐标系 图2 - 3d q 坐标系图2 4 d q 和x y 坐标系 同时，各个坐标系可以相互转换，例如三相定子坐标系到定子静止直角坐 标系的坐标变换( 3 s - 2 s ) 、定子静止直角坐标系到转子旋转直角坐标系的坐标变换 ( 2 s - 2 r ) 和定子旋转直角坐标系到转子旋转直角坐标系的坐标变换( 2 t - 2 r ) ，现分别 介绍各个坐标系的相互转换： 1 3 s 2 s 坐标变换 由线性代数知识可知，向量d 、q 可以张成二维线性空间，则由a ，b ，c 合 成的向量可以由d 、q 表示。因此，d q 坐标系可以和a b c 坐标系相互转化。 也就是说，在电机控制中，三相电动机中三相电流产生的