異步電機控制在電動汽車驅動中的應用

1、 江 蘇 大 學 學 士 學 位 畢 業(yè) 論 文 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 畢 業(yè) 論 文 異步電機控制在電動汽車驅動中的應用 Induction Machine Control in Electric Vehicle Drive 學 院 名 稱： 電氣信息工程學院 專 業(yè) 班 級： 學 生 姓 名： 指導教師姓名： 指導教師職稱： 2013年6月 異步電機控制在電動汽車驅動中的應用專業(yè)班級：* 學生姓名：*指導老師：* 職稱：*摘要 伴隨著社會的進步，汽車和人們生活越來越密不可分，這給人們生活帶來了便捷，同時也帶來了能源危機和環(huán)境污染等一些嚴

2、重的負面問題。電動汽車具有環(huán)境污染小、效率高等優(yōu)點，能很好地解決這一矛盾。電動汽車的核心是電機驅動系統(tǒng)。異步電機由于其結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠，轉矩脈動低，噪聲低等優(yōu)點在工業(yè)領域得到了廣泛地應用。本文根據(jù)直流電機控制思想，采用矢量控制策略把異步電機定子電流分解為產生磁場的電流分量 (勵磁電流)和產生轉矩的電流分量（轉矩電流），仿照直流電機控制方法控制異步電機的電磁轉矩與磁鏈。根據(jù)坐標變換原理，本文在不同坐標系上建立了異步電機數(shù)學模型；并在此基礎上給出了異步電機的等效電路、磁鏈方程、轉矩方程；詳細介紹了矢量控制策略。運用MATLAB中SlMULINK搭建了異步電機矢量控制模型，并進

3、行了仿真分析，仿真結果表明基于轉子磁場定向的異步電機矢量控制系統(tǒng)結構簡單，解耦方便，動態(tài)性能好，能滿足電動汽車對電機轉矩、轉速的性能要求。關鍵字：電動汽車 異步電機 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 people's life. It brings convenient and quick to people&

4、#39;s lives, 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

5、simple structure, 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

6、stator current 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 dif

7、ferent coordinate 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 sim

8、ulation analysis 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 vehicle's performance requir

9、ements.Key words: Electric Vehicle Induction Machine Vector Control SIMULINK目 錄第一章 緒論11.1課題研究的目的和意義11.2電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀與前景21.2.1電動汽車主要技術21.2.2國內外電動汽車的發(fā)展狀況31.3現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)的發(fā)展61.3.1脈寬調制（PWM）技術71.3.2矢量變換控制技術91.3.3直接轉矩控制技術111.3.4現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢111.4論文的主要研究內容12第二章 異步電機的矢量控制系統(tǒng)132.1坐標變換132.1.1三相兩相變換（3/2變換）142.1.2靜止兩相旋轉

10、正交變換（2s/2r變換）152.2三相異步電機數(shù)學模型162.2.1三相靜止坐標系下的數(shù)學模型162.2.2兩相靜止坐標系下的數(shù)學模型172.2.3兩相旋轉坐標系中的數(shù)學模型202.3轉子磁場定向的異步電機矢量控制系統(tǒng)242.3.1轉子磁場定向的同步旋轉正交坐標系242.3.2轉子磁場定向矢量控制的基本思想262.4電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術272.4.1電壓與磁鏈空間的關系282.4.2 PWM逆變器基本輸出電壓矢量292.4.3期望電壓空間矢量的合成302.4.4 SVPWM的實現(xiàn)方法32第三章 基于MATLAB的異步電機仿真模型353.1矢量控制結構圖353.2各模塊的設

11、計353.3系統(tǒng)仿真結果分析38結論41致謝42參考文獻43IV 第一章 緒論1.1課題研究的目的和意義隨著經濟的發(fā)展，汽車也已經成為必不可少的交通工具。目前汽車大多使用內燃機作為發(fā)動機，以柴油或汽油為燃料，在使用過程中排放大量的煙塵和有害氣體，造成日益嚴重的空氣污染。并且由于現(xiàn)階段的中國已經面臨著石油短缺的嚴峻挑戰(zhàn)，如果按照現(xiàn)在的使用速度，那么不久世界上已知的原油儲量將被耗盡。為此世界各國都投入大量的人力物力來研究開發(fā)新能源以應對能源安全。其中電動汽車戰(zhàn)略已經成為我國新興戰(zhàn)略產業(yè)發(fā)展的決策。電動車無內燃機汽車工作時產生的廢氣，不產生排氣污染,對環(huán)境保護和空氣的潔凈是十分有益的，幾乎是零污染。

12、電動汽車的研究表明,其能源效率已超過汽油機汽車，特別是在景區(qū)運行,汽車走走停停,行駛速度不高,電動汽車更加適宜，電動汽車停止時不消耗電量，在制動過程中，電動機可自動轉化為發(fā)電機,實現(xiàn)制動減速時能量的再利用；另一方面,電動汽車的應用可有效地減少對石油資源的依賴,可將有限的石油用于更重要的方面，向蓄電池充電的電力可以由水力、核能、太陽能、風力、潮汐等能源轉化。除此之外,如果夜間向蓄電池充電,還可以避開用電高峰,有利于電網均衡負荷,減少費用1。 除此以外電動汽車還有眾多優(yōu)點：（1） 環(huán)保無公害，不排放廢氣，噪聲水平低；（2） 電動機易于電子控制，可以靈活的改變穩(wěn)態(tài)特性，可簡化甚至省去變速齒輪裝置；（

13、3） 電動機可方便地實現(xiàn)四象限運行，不需要專門的可逆齒輪裝置。由于能產生制動轉矩，因而大大減小機械制動磨損；（4） 電動機旋轉對稱，運行平穩(wěn)，震動極小，且不存在使材料產生疲勞的高溫，壽命長，維護工作量小。電動車驅動電動機有直流電動機、異步電動機、永磁無刷電動機和開關磁阻電動機。異步電動機具有體積小，結構簡單、堅固可靠、成本低、易于維護等優(yōu)點，并且隨著交頻調速技術的發(fā)展，使異步電機有著優(yōu)異的啟動和調速性能，高效率，高功率因素和節(jié)能等優(yōu)點。因此高性能的電動車普遍采用異步電動機作為傳動設備。而異步電機是個多變量、耦合性強以及非線性系統(tǒng)，為了方便研究，德國的 F.Blaschke 在1971 年首先提

14、出矢量控制技術,具體是按轉子磁場定向，將異步電機定子電流分解為產生磁場的電流分量 (勵磁電流)和產生轉矩的電流分量（轉矩電流），得到等效的直流電動機模型，仿照直流電動機的控制方法控制電磁轉矩與磁鏈。該技術的出現(xiàn)從理論上解決了交流傳動技術在磁場和電流的解耦問題，使得異步電機控制可以像直流電機控制一樣變得簡單，且具有其所有的優(yōu)點，該技術的提出在電機的控制上也因此具有劃時代的意義。1.2電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀與前景在當前全球汽車工業(yè)面臨金融危機和能源環(huán)境問題的巨大挑戰(zhàn)的情況下，發(fā)展電動汽車，實現(xiàn)汽車能源動力系統(tǒng)的電氣化，推動傳統(tǒng)汽車產業(yè)的戰(zhàn)略轉型，在國際上已經形成了廣泛共識。目前，我國已出臺許多政策，扶

15、持和引導電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，政府意欲加速提高國內電動車產業(yè)的競爭力，縮短成熟期，實現(xiàn)對國外汽車工業(yè)的“彎道超車”。電動汽車的發(fā)展步入關鍵時期，機遇與挑戰(zhàn)并存3。新能源汽車包括混合動力汽車、純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車、氫發(fā)動機汽車、其他新能源（如高效儲能器、二甲醚）汽車等各類別產品。 電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛。所以混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池電動汽車都被歸為電動汽車。 電動汽車之所以成為本世紀技術開發(fā)的寵兒，首先是因為電動汽車直接采用電機驅動，本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其它污染物也顯

16、著減少。發(fā)電廠大多建于遠離人口密集的城市，對人類傷害較少，而且發(fā)電廠的場所固定，有害排放物集中排放、清除較容易。由于電力可以從多種一次能源中獲得，如煤、核能、水力、風力、光、熱等，可以很好地解除人們對石油資源日見枯竭的擔心。其次，電動汽車能夠充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電，使發(fā)電設備得到充分利用，大大地提高了經濟效益。有關研究表明，同樣的原油經過粗煉，送至電廠發(fā)電、充入電池、由電池驅動汽車，其能量利用效率比經過精煉變?yōu)槠?，再經汽油機驅動汽車高，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量。1.2.1電動汽車主要技術純電動汽車以電動機代替燃油機，由電機驅動而無需自動變速箱。相對于自動變速箱，電

17、機結構簡單、技術成熟、運行可靠。 傳統(tǒng)的內燃機能把高效產生轉矩時的轉速限制在一個窄的范圍內，這是為何傳統(tǒng)內燃機汽車需要龐大而復雜的變速機構的原因；而電動機可以在相當寬廣的速度范圍內高效產生轉矩，在純電動車行駛過程中不需要換擋變速裝置，操縱方便容易，噪音低。與混合動力汽車相比，純電動車使用單一電能源，電控系統(tǒng)大大減少了汽車內部機械傳動系統(tǒng)，結構更簡化，也降低了機械部件摩擦導致的能量損耗及噪音，節(jié)省了汽車內部空間、重量。電機驅動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行駛中的主要執(zhí)行結構，驅動電機及其控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件（電池、電機、電控）之一，其驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要

18、部件。電動汽車中的燃料電池汽車FCV、混合動力汽車HEV 和純電動汽車EV 三大類都要用電動機來驅動車輪行駛，選擇合適的電動機是提高各類電動汽車性價比的重要因素，因此研發(fā)或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項性能要求，并具有堅固耐用、造價低、效能高等特點的電動機驅動方式顯得極其重要。電動汽車的驅動電機目前有直流有刷、無刷、有永磁、電磁之分，再有交流步進電機等，它們的選用也與整車配置、用途、檔次有關。另外驅動電機之調速控制也分有級調速和無級調速，有采用電子調速控制器和不用調速控制器之分。電動機有輪轂電機、內轉子電機、有單電機驅動、多電機驅動和組合電機驅動等4。1.2.2國內外電動汽車的發(fā)展狀況目前

19、發(fā)展電動汽車，實現(xiàn)汽車能源動力系統(tǒng)的電氣化，推動傳統(tǒng)汽車產業(yè)的戰(zhàn)略轉型，在國際上已經形成了潮流。根據(jù)各大汽車公司發(fā)布的產品上市計劃，預計2012年前后將迎來國際電動汽車產業(yè)化發(fā)展的一次高潮。電動汽車一旦取得市場突破，必將對國際汽車產業(yè)格局產生巨大而深遠的影響。因此，順應國際汽車工業(yè)發(fā)展潮流，把握交通能源動力系統(tǒng)轉型的戰(zhàn)略機遇，堅持自主創(chuàng)新，動員各方面的力量，加快推動電動汽車產業(yè)發(fā)展，對搶占未來汽車產業(yè)競爭制高點、實現(xiàn)我國汽車工業(yè)由大變強和自主發(fā)展至關重要，也十分緊迫。一是各國政府相繼發(fā)布電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略和國家計劃，進一步為產業(yè)發(fā)展指明了方向。美國奧巴馬政府實施綠色新政，把電動汽車作為國家戰(zhàn)略的

20、重要組成，計劃到2015年普及100萬輛插電式混合動力電動汽車（PHEV）。日本把發(fā)展電動汽車作為“低碳革命”的核心內容，并計劃到2020年普及包括電動汽車在內的“下一代汽車”達到1350萬輛，為完成這一目標，日本到2020年計劃開發(fā)出至少17款純電動汽車、38款混合動力車。德國政府在2008年11月提出未來10年普及100萬輛純電動汽車和插電式混合動力汽車，并宣稱該計劃的實施，標志德國將進入電動汽車時代。國家戰(zhàn)略的發(fā)布實施，對產業(yè)發(fā)展有著十分重要的導向作用，必將進一步加快國際電動汽車產業(yè)發(fā)展的進程。二是動力電池得到高度重視，研發(fā)投入急劇增加，電動汽車技術瓶頸突破的預期大大增強。美國總統(tǒng)奧巴馬

21、2009年8月宣布安排24億美元支持PHEV的研發(fā)與產業(yè)化，其中20億美元用來支持先進動力電池的研發(fā)和產業(yè)化。日本政府提出“誰控制了電池，誰就控制了電動汽車”，并組織實施國家專項計劃，在2011年以前將投入400多億日元用于先進動力電池技術研究，2010年左右新型鋰電池將規(guī)模應用于下一代電動汽車。德國從今年起啟動了一項4.2億歐元的車用鋰電池開發(fā)計劃，幾乎所有德國汽車和能源巨頭均攜資加入。三是各國政府加大政策支持力度，全力推進電動汽車產業(yè)化。一方面，政府加大對消費者的政策激勵，加快電動汽車的市場培育。美國對PHEV實施稅收優(yōu)惠，減稅額度在2500美元和15000美元之間。日本從2009年4月1

22、日起實施新的“綠色稅制”，對包括純電動汽車、混合動力車等低排放且燃油消耗量低的車輛給予稅賦優(yōu)惠，一年的減稅規(guī)模約為2100億日元，是現(xiàn)行優(yōu)惠辦法減稅額的10倍。英國從2009年4月1日起執(zhí)行新汽車消費稅，對純電動汽車免繳消費稅。法國對購買低排放（二氧化碳）汽車的消費者給予最高5000歐元的獎勵，對高排放汽車進行最高2600歐元的懲罰。另一方面，政府通過加大信貸支持等措施，鼓勵整車企業(yè)加快電動汽車產業(yè)化。美國政府對電動汽車生產予以貸款資助。2009年6月23日，福特、日產北美公司和Tesla汽車公司獲得80億美元的貸款，主要用于混合動力和純電動汽車的生產。歐盟在2009年上半年發(fā)放70億歐元貸款

23、，支持汽車制造商發(fā)展電動汽車；此外，美國新的汽車燃油經濟性法規(guī)和歐盟新車平均二氧化碳排放法規(guī)，對汽車的技術要求大幅提高，如果不發(fā)展電動汽車技術，汽車制造商將很難達到新法規(guī)的要求。四是純電動汽車得益于高性能鋰離子電池的發(fā)展應用，受到各國政府和各大汽車公司的重新重視，產業(yè)化步伐不斷加快。日產汽車公司宣布2010年在美國和日本銷售純電動汽車，計劃于20122013年實現(xiàn)大規(guī)模上市，其量產車型“樹葉”已經正式發(fā)布。三菱、雷諾、豐田、寶馬等汽車公司也開發(fā)出小型純電動轎車，并計劃在2012年前后批量上市。美國、日本、法國、德國、以色列等國政府都制定了純電動汽車推廣計劃，電動汽車充電系統(tǒng)建設項目也陸續(xù)啟動。

24、隨著汽車造成的環(huán)境污染和石油危機日益嚴重，20世紀90年代以來，電動汽車研究開始受到重視。經過近20年的研究，已經在電動汽車關鍵技術、系統(tǒng)集成、試驗應用上實現(xiàn)了全面突破，目前世界上主要國家爭相開展產業(yè)化工作。1993年美國政府組織企業(yè)和科研機構成立 “新一代汽車合作計劃”（PNGV），聯(lián)合開展電動汽車研究，法、德、日等發(fā)達國家紛紛采取政府引導、企業(yè)和科研機構聯(lián)合的方式加強電動汽車開發(fā)研究。1997年以來，豐田汽車公司推出兩代 “Prius”混合動力轎車，截止到2004年底，豐田汽車公司累計銷量25萬輛混合動力轎車，占全球混合動力汽車總數(shù)90%。2000年本田公司的“Insight”混合動力轎車

25、投放市場，2002年Civic混合動力汽車投放美國市場。1999年以來，本田汽車公司先后推出“FCX V1、V2、V3、V4、”燃料電池汽車，進行可靠性、碰撞安全性、道路試驗等內容的認證試驗。2001年以來，通用汽車公司先后推出了“Autonomy”、“Hy Wire”和“Sequel”三種燃料電池轎車，其中“Sequel”燃料電池轎車集成了燃料電池、線傳操控系統(tǒng)、輪轂電機和全鋁合金車身等先進技術，是一部走向實用化的燃料電池汽車。“十五”計劃期間，中國科技部投入8.8億元全面啟動863電動汽車重大科技專項，制定了“三縱三橫”的總體研發(fā)布局：以混合動力電動汽車、純電動汽車、燃料電池汽車為“三縱”

26、，以多能源動力總成控制、驅動電機、動力蓄電池為“三橫”，全面構筑電動汽車的技術平臺。經過多年的探索與努力，我國在新能源汽車電池、電機、電控三大關鍵技術上相繼取得突破，并開始產業(yè)化。清華大學和天津清源電動車輛有限公司研制純電動轎車和純電動客車均已通過國家質檢中心的型式認證試驗。東風汽車(600006,股吧)（600006）公司與武漢理工大學等籌資創(chuàng)建東風電動車輛股份有限公司，開展混合動力汽車研發(fā)， 其開發(fā)的EQ6100HEV混合動力客車于2003年11月8日在武漢開始示范運行工作，已累計運行14萬多公里，載客15萬人次。2004年一汽集團和豐田汽車公司簽署協(xié)議，計劃引進其“Prius”混合動力汽

27、車技術，建設“綠色”汽車生產基地。建立了電動汽車研發(fā)的國家技術標準平臺、測試檢驗平臺、政策法規(guī)平臺和示范應用平臺。到目前為止，電動汽車整車產品13項新標準已起草完成、5項標準修訂完成、6項關鍵零部件產品測試規(guī)范也已確定。測試電動汽車動力蓄電池、驅動電機、燃料電池發(fā)動機等部件的6個公共檢測中心和試驗平臺已分別在北京、天津、上海、大連建立起來。經過多年的技術研發(fā)、功能性樣車試驗、示范性應用，我國的電動汽車已經具備了初步產業(yè)化條件。中國正在緊張研討電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃（草案），規(guī)劃的總體目標是全面掌握電動汽車核心技術，培育自主研發(fā)能力，發(fā)揮市場和資源優(yōu)勢，形成有較強競爭力的電動汽車以及

28、關鍵零部件工業(yè)體系?；I劃建設電動汽車充電站、加氫站等基礎設施，滿足電動汽車產業(yè)化發(fā)展需求，完善電動汽車標準體系，建立有利于電動汽車發(fā)展的環(huán)境，實現(xiàn)中國由“汽車大國”向“汽車強國”的轉變。未來5年將是電動汽車從研發(fā)階段向產業(yè)化階段過渡的關鍵時期，也是中國將電動汽車產業(yè)做大做強的關鍵5年。根據(jù)規(guī)劃的總體思路，“十二五”期間將重點開展7個方面的工作。第一，堅持“三縱三橫”研發(fā)布局（即、以燃料電池汽車、混合動力電動汽車、純電動汽車三種車型為“三縱”，多能源動力總成控制系統(tǒng)、驅動電機及其控制系統(tǒng)、動力蓄電池及其管理系統(tǒng)三種共性技術為“三橫”）和“產業(yè)化研發(fā)”模式。第二，加大充電基礎設施科技創(chuàng)新力度，加快

29、基礎設施建設。第三，加快技術標準研究，完善標準體系建設。第四，深化示范推廣，探索商業(yè)推動模式。第五，支持組建產業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟、承擔科技計劃任務。第六，完善公共平臺，加強人才培養(yǎng)。第七，深化國際技術交流與合作，推動電動汽車國際化發(fā)展1.3現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)的發(fā)展在實際應用中, 電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備, 一是要具有較高的機電能量轉換效率；二是應能根據(jù)生產機械的工藝要求控制和調節(jié)電動機的旋轉速度。電動機的調速性能如何對提高產品質量、提高勞動生產率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此, 調速技術一直是研究的熱點。長期以來, 直流電動機由于調速性能優(yōu)越而掩蓋了結構復雜等缺點廣泛的應用于工程

30、過程中。直流電動機在額定轉速以下運行時, 保持勵磁電流恒定, 可用改變電樞電壓的方法實現(xiàn)恒定轉矩調速； 在額定轉速以上運行時, 保持電樞電壓恒定, 可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調速。采用轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性。因此, 20 世紀 80 年代以前, 在變速傳動領域中, 直流調速一直占據(jù)主導地位。近幾年來, 科學技術的迅速發(fā)展為交流調速技術的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術條件和物質基礎。交流電動機的調速系統(tǒng)不但性能同直流電動機的性能一樣, 而且成本和維護費用比直流電動機系統(tǒng)更低, 可靠性更高。目前, 國外先進的工業(yè)國家生產直流傳動的裝置基本呈下降趨勢 , 而交流變頻調速

31、裝置的生產大幅度上升。因此, 采用高效率經濟型的交流調速系統(tǒng)來取代原有的直流電動機調速系統(tǒng), 是電機調速技術發(fā)展的新動向。20 世紀 60 年代中期, 德國的 A Schonung 等人率先提出了脈寬調制變頻的思想, 他們把通信系統(tǒng)中的調制技術推廣應用于變頻調速中, 為現(xiàn)代交流調速技術的發(fā)展和實用化開辟了新的道路。從此, 交流調速理論及應用技術大致沿下述幾個方面發(fā)展。1.3.1脈寬調制（PWM）技術 現(xiàn)代變頻器中用的最多控制技術是脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）5,其基本思想是：控制逆變器中電力電子器件的開通或關斷、輸出電壓為幅值相等、寬度按一定規(guī)律變化的

32、脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。傳統(tǒng)的交流PWM技術是用正弦波來調制等腰三角波，稱為正弦脈沖寬度調制（SPWM），隨著控制技術的發(fā)展，產生了電流跟蹤PWM（CFPWM）控制技術和電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術6。脈寬調制(PWM)技術的發(fā)展和應用優(yōu)化了變頻裝置的性能, 變頻調速系統(tǒng)采用 PWM 技術不僅能夠及時準確地實現(xiàn)變壓變頻控制要求, 而且更重要的意義是抑制逆變器輸出電壓或電流中的諧波分量, 從而降低或消除了變頻調速時電機的轉矩脈動, 提高了電機的工作效率, 擴大了調速系統(tǒng)的調速范圍。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控

33、制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展。到目前為止主要有以下幾種方法7:(1) 基于正弦波對三角波脈寬調制的SPWM控制；(2) 基于消除指定次數(shù)諧波的SHEPWM控制；(3) 基于電流滯環(huán)跟蹤的CHBPWM控制；(4) 電壓空間矢量控制SVPWM，或稱磁鏈軌跡跟蹤控制。第一種PWM技術是正弦波脈寬調制技術SPWM。它是當調制波與載波相交時，由他們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。隨著PWM變頻器的廣泛應用，以制成多種專用集成電路芯片作為SPWM信號的發(fā)生器，許多用于電機控制的微機芯片集成了帶有死去的PWM控制功能，功

34、率放大后，即可驅動電力電子器件，使用相當簡便。普通的SPWM變頻器輸出電壓帶有一定的諧波分量，為降低諧波分量，減少電動機轉矩脈動，可以采用直接計算的方法，以消除指定次數(shù)諧波PWM（Selected Harmonics Elimination PWM,SHEPWM）控制技術。這是第二種PWM技術。SPWM控制技術以輸出電壓接近正弦波為目標，電流波形則因負載的性質及大小而異。然而對于交流電動機來說，應該保證為正弦波的電流，穩(wěn)態(tài)時在繞組中通過三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉矩為恒定值，不產生脈動，因此以正弦波電流為 控制目標更為合適。電流跟蹤PWM的控制方法是：在原來主回路的基礎上，采用電流閉環(huán)

35、控制，使實際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實際電流接近正弦波形，這就能比電壓控制的SPWM獲得更好的性能。電流滯環(huán)跟蹤控制方法的精度高、響應快、且易于實現(xiàn)，但功率開關器件的開關頻率不定。為了客服這個缺點，可以采用具有恒定開關頻率的電流控制器，或者在局部范圍內限制開關頻率，但這樣對電流波形都會產生影響。且具有電流滯環(huán)跟蹤控制的PWM型變頻器用于調速系統(tǒng)時，只需要改變電流給定信號的頻率即可實現(xiàn)變頻調速，無需再人為地調節(jié)逆變器電壓。此時，電流控制環(huán)只是系統(tǒng)的內環(huán)，外邊仍應有轉速外環(huán)，才能視不同負載的需要自動控制給定電流的幅值。經典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量靠近正弦波，

36、并未顧及輸出電流的波形。從電流跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，這就比只要正弦電壓更前進了一步。然而交流電動機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機空間形成圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩。把逆變器和交流電動機視為一體，以圓形旋轉磁場為目標來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量實現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量PWM控制”。這四種PWM技術中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標，第三種是以輸出電流接近正弦波為控制目標，第四種是以被控電機的旋轉磁場接近圓形為控制目標8。PWM 技術的應用克服了相控原理的所有弊端,

37、 使交流電動機定子得到了接近正弦波形的電壓和電流, 提高了電機的功率因數(shù)和輸出功率?，F(xiàn)代 PWM 生成電路大多采用具有高度輸出口 HSO 的單片機(如 80196) 及數(shù)字信號處理器 DSP( Digital Signal Processo r) , 通過軟件編程生成 PWM 。近年來, 新型全數(shù)字化專用 PWM 生成芯片 HEF4752、SLE4520、M A 818 等達到實用化, 并已實際應用。1.3.2矢量變換控制技術眾所周知, 直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性, 其根本原因在于作為控制對象的他勵直流電動機電磁轉矩能夠容易而靈活地進行控制。而交流電動機是個多變量、非線

38、性、強藕合的被控對象, 作為變頻系統(tǒng)的控制對象它是否可以模仿直流電動機轉矩控制規(guī)律而加以控制呢?矢量控制理論是由德國的 F.Blaschke 在1971 年首先提出的910，它是從電機統(tǒng)一理論、機電能量轉換和矢量變換理論的基礎上發(fā)展起來的，基本思想是把異步電動機模擬成直流電機來控制。通過矢量變換將異步電動機的定子電流在按轉子磁場定向的同步旋轉的坐標系上進行分解，得到勵磁電流分量和轉矩電流分量，對它們分別進行控制即可得到與直流電機相同的控制特性。矢量控制系統(tǒng)的成功實施，消除了以往標量控制的缺陷，同時又大大提高了控制系統(tǒng)的實時控制性能，使得交流異步電機的變頻調速無論是機械特性，還是動靜態(tài)特性，都達

39、到了與直流電機相媲美的境地，從而將交流電機的變頻調速推向了更為廣泛的應用領域11。1.3.2.1 20 世紀 70 年代矢量控制技術的誕生矢量控制在國際上一般多稱為磁場定向控制，也就是把磁場的方向作為坐標軸的基準方向，電動機電流矢量的大小、方向均由瞬時值來表示。這個理論是 1968 年 Darmstader 工科大學的 Hasse 博士初步提出的。在 1971 年德國西門子公司 F.Blaschke 博士等提出的“感應電機磁場定向的控制原理”和美國 P.C.Custman 與A.A.Clark 申請的專利“感應電機定子電壓的坐標變換控制”奠定了矢量控制的基礎。矢量控制實現(xiàn)了交流電機磁通和轉矩的

40、解耦控制，使交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性有了顯著的改善，開創(chuàng)了交流傳動的新紀元。矢量控制包括坐標變換和旋轉以及其他一些包含非線性的復雜運算，其運算處理的規(guī)模比直流調速大若干倍，以當時的控制系統(tǒng)無法進行實時控制。而由普通晶閘管構成的逆變器必須有復雜的換流電路才能工作，一方面降低了系統(tǒng)的可靠性，另一方面，由于逆變器的開關頻率很低，不能適應矢量控制中電壓電流的快速變化。因此 20 世紀 70 年代矢量控制并未走入實用，但德、美、英、法、意、加拿大等發(fā)達國家以當時的及日本都十分重視矢量控制技術的研究，做了大量的研究工作。1.3.2.2 20 世紀 80 年代矢量控制技術的發(fā)展歐洲是矢量控制技術的誕生地，其研

41、究水平一直走在世界的前列。在從 20 世紀 80 年代中期到 20 世紀 90 年代初期，歐洲電力電子會議（EPE）論文集中涉及到矢量控制的論文占有很大比例。在這當中，德國 SiEMENS 公司、Aachen 技術大學電力電子和電氣傳動研究院和德國 Braunchweig 技術大學 W.Leonhard、R.Gabriel、G.Heinemann 等教授更是為矢量控制的應用做出了突出貢獻，在應用微處理器的矢量控制研究中取得了許多重大進展，促進了矢量控制的實用化。由于需要直接或間接地得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉子位置或速度傳感器，這顯然給許多

42、應用場合帶來不便。盡管如此，矢量控制技術仍然在努力融入通用型變頻器中。而無速度傳感器矢量控制（省去了軸角編碼器）12和其他驅動算法也隨后出現(xiàn)，并且這些改進仍在不斷加速中。1.3.2.3 20 世紀 90 年代矢量控制應用交流電氣傳動的迅速發(fā)展，一方面離不開電力電子器件不斷的發(fā)展和進步。交流調速技術的重大變革是以電力電子器件的發(fā)展為先導的。從 20 世紀 50 年代后期的可控硅（SCR），發(fā)展到 20 世紀 60 年代的門極可關斷晶閘管（GTO）、大功率雙極型晶體管（GTR），以及 80年代以后出現(xiàn)的金屬氧化半導體場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、智能功率模塊（IPM

43、）、集成門極換向晶閘管（IGCT）等等。尤其是 IGBT 的出現(xiàn)，迅速促使成熟可靠的交流調速產品進入各個工業(yè)領域?？梢哉f，這些新型電力電子器件的發(fā)展給高性能交流調速技術的發(fā)展奠定了堅實的物質基礎。另一方面，交流調速控制技術，尤其是復雜的矢量控制算法的實現(xiàn)，離不開微處理器技術和數(shù)字化控制技術取得的巨大進步。DanfossDrives 公司產品經理 TomMomberger 的觀點是：“將微處理器技術應用于變頻驅動器是今天交流驅動器性能提高的主要原因”。1992 年開始，德國西門子開發(fā)了 6SE70 通用型系列，通過 FC、VC、SC 板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制，1994年將該系列

44、擴展至 315kW 以上。矢量控制核心理論的提出與以 DSP 為代表的高性能處理器的通用化，再加上電力電子器件取得的進步，并輔以現(xiàn)代控制理論，這四大因素的結合給電氣傳動領域帶來 4 了深刻的變革。數(shù)字信號處理器（DSP）的高速運算能力使矢量控制尤其是 1983 年 R.K.Joenen 提出的無速度矢量控制（SensorlessVectorControl，SVC）系統(tǒng)的軟硬件結構得到簡化，這就為性能更優(yōu)的SVC 方案的實施提供了物質保證。而 IGBT 的進一步發(fā)展也為 SVC 的應用提供了更好的舞臺，iGBT 除了提高功率器件的開關速度，IGBT還允許迅速地調整電機的工作電壓。這使帶寬相當高的

45、無速度矢量控制成為可行，并能快速、高精度地控制轉速（velocityprofiling）與定位。SVC 的實現(xiàn)吸引了產業(yè)界人士的廣泛關注，ToshibaGE、Yaskawa 等公司于 1987 年分別發(fā)表了研究成果95年后 ，Siemens、Yaskawa、ToshibaGE、Rockwell、Mistubishi、Fuji 等知名公司紛紛推出自己的 SVC 控制產品，控制特性也在不斷提高，無速度傳感器矢量控制向高性能通用變頻器邁出了一大步1314。1.3.3直接轉矩控制技術1985 年, 德國魯爾大學的 M Depenbrock 教授通過對瞬時空間理論的研究, 提出了直接轉矩控制理論， 其原

46、理是讓電動機的磁鏈矢量沿六邊形運動。隨后日本學者 i Taka-hashi 提出了磁鏈軌跡的圓形方案。與矢量變換控制不同，直接轉矩控制不須考慮如何將定子電流分解為勵磁電流分量和轉矩電流分量，該控制方法是在電機定子坐標上直接計算出磁鏈的模和轉矩大小，然后通過磁鏈和轉矩這兩個滯環(huán)比較器實現(xiàn)PWM信號和控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，而不需要像矢量控制那樣復雜的坐標變換算法。從理論上看 ( 在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學模型), 直接轉矩控制是控制電機的磁鏈和轉矩, 而電機主要控制的是轉矩, 控制了轉矩, 也就控制了速度。由于采用轉矩直接控制, 可使逆變器切換頻率低, 電機磁場接近圓形, 諧波小, 損耗小,

47、噪聲及溫升均比一般逆變器驅動的電機小的多。多年的實際應用表明, 與矢量控制法相比直接轉矩控制可獲得更大的瞬時轉矩和極快的動態(tài)響應。因此, 交流電動機直接轉矩控制也是一種很有前途的控制技術。1.3.4現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢縱觀交流調速技術的發(fā)展, 可以看出現(xiàn)代交流調速技術未來的發(fā)展趨勢和動向：( 1) 智能化控制方法對交流調速系統(tǒng)的影響研究；( 2) 改善交流調速系統(tǒng)效率的方法研究；( 3) 中壓變頻裝置的研究；( 4) 系統(tǒng)可靠性的研究。圍繞以上四個方面, 現(xiàn)代交流調速技術研究與開發(fā)的主課題如下1617:矢量控制系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了異步電動機磁通電流和轉矩電流的完全解藕, 但由于電機參數(shù)的不確定

48、性、純滯后或非線性耦合等特性, 以及電機轉子參數(shù)估計的不準確及參數(shù)變化的影響都會造成定向坐標的偏移, 這些問題至今國內外并未真正解決, 因此, 轉子參數(shù)辨識及針對參數(shù)變化的自適應控制是今后矢量控制研究的攻堅課題。近幾年來, 在許多工業(yè)過程控制系統(tǒng)中, 被控對象往往存在著結構和參數(shù)的不確定性、純滯后或非線性耦合等特性, 難以用準確的數(shù)學模型描述, 因此, 用常規(guī)線性控制算法難以滿足電動機調速性能的要求。模糊控制、人工神經網絡等不依賴于對象的深層次知識, 而是通過輸入、輸出信息進行仿人思維的智能化控制方法開始引入到交流調速系統(tǒng)中,成為交流調速控制技術新的研究方向。直接轉矩控制技術18在應用實踐中不

49、斷完善和提高, 其研究的主攻方向是解決低速時電機定子參數(shù)對磁鏈運動軌跡的影響; 進一步提高低速時的控制性能, 擴大調速范圍。取消通過機械連接的測速發(fā)電機及其他測速傳感器, 實現(xiàn)無硬件測速傳感器的交流調速系統(tǒng)已有應用, 但是轉速推算精度和控制的實時性有待于進一步深入研究與開發(fā)。 提高調速系統(tǒng)的效率是現(xiàn)代交流調速技術解決的重要問題之一。要提高調速系統(tǒng)的效率, 就必須提高變頻器輸出效率和改善電機的使用性能。因此,提高調速系統(tǒng)效率的具體解決方法是開發(fā)研制新型變頻器主電路, 主要措施是降低電力電子器件的開關損耗。如使電力電子器件在零電壓或電流下轉換, 即工作在所謂軟開關0 狀態(tài)下,從而使開關損耗降低到零

50、19。目前, 電力電子逆變器正朝著高頻化、大功率方向發(fā)展,這使裝置內部電壓、電流發(fā)生劇變, 不但使器件承受很大的電壓、電流應力, 而且在輸入、輸出引線及周圍空間里產生高頻電磁噪聲, 引發(fā)電氣設備誤動作, 這種公害稱為電磁干擾( Electro M agnet ic i nterference) 。抑制電磁干擾的有效方法也是采用軟開關技術。具有軟開關功能的諧振變流器在國內外都在積極進行研究與開發(fā)。1.4論文的主要研究內容本文在調研電動汽車及其電機驅動系統(tǒng)的基礎上，主要研究和設計了轉子磁場定向的異步電機矢量控制系統(tǒng)；深入研究了異步電機數(shù)學模型、轉子磁場定向矢量控制系統(tǒng)，以及SVPWM生成原理，并進

51、行了基于SVPWM調制的異步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真。第二章 異步電機的矢量控制系統(tǒng)在研究異步電動機的數(shù)學模型時，做如下的假設：1）忽略空間諧波，設三相繞組隊稱，在空間互差電角度，所產生的磁動勢延氣隙按正弦規(guī)律分布；2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；3）忽略鐵心損耗；4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。無論是異步電動機轉子是繞線型還是籠型，都可以等效成三相繞組轉子，并折算到定子側，折算后的定子和轉子繞組匝數(shù)相等。異步電動機的三相繞組可以是Y聯(lián)結，也可以是聯(lián)結。 圖2-1異步電動機的物理模型三相異步電動機的物理模型20如圖2-1所示，定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的

52、，轉子繞組軸線a、b、c以角速度隨轉子旋轉。如以A軸為參考坐標軸，轉子a軸與定子A軸間的電角度為空間角位移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機慣例和右手螺旋定則。2.1坐標變換異步電動機的三相原始動態(tài)模型相當復雜，分析和求解這組非線性方程十分困難。在實際應用中必須予以簡化，簡化的基本方法就是坐標變換。2.1.1三相兩相變換（3/2變換）三相繞組A、B、C和兩相繞組之間的變換、稱為三相坐標系和兩相正交坐標系間的變換，簡稱3/2變換。圖2-2 三相坐標系和兩相正交坐標系圖2-2中繪出了ABC和兩個坐標系中的磁動勢矢量，將兩個坐標系原點重合，并使A軸和軸重合。設三相繞組每相有效匝數(shù)為N

53、3，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2,各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于相關的坐標軸上。按照磁動勢相等的等效原則，三項合成磁動勢與兩相合成磁動勢相等，故兩套繞組磁動勢在、軸上的投影應該相等。再按照變換前后總功率不變，可以得到：用表示從三相坐標系變換到兩相正交坐標系的變換矩陣，則 （2-6）相應的逆變換，即兩相正交坐標系變換到三相坐標系（簡稱2/3變換）的變換矩陣 （2-7）2.1.2靜止兩相旋轉正交變換（2s/2r變換）從靜止兩相正交坐標系到旋轉正交坐標系d-q的變換，稱為靜止兩相-旋轉正交變換，簡稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉，變換的原則同樣是產生的磁動勢相等。 圖2-3 靜止兩相正交坐標系與旋轉正交坐標系的磁動勢矢量圖2- 3繪出了和d-q坐標系的磁動勢矢量，繞組每相有效匝數(shù)均為N2，磁動勢矢量位于相關坐標軸上，兩相交流電流和和兩個直流電流、產生相同的以角速度1旋轉合成的磁動勢F。d-q軸與軸相對夾角為。由圖可見， 和 之間存在這樣的關系： （2-8）可以得到，靜止兩相正交坐標系到旋轉正交坐標系的變換矩陣為 （2-9）則旋轉正交坐標系到靜止兩相坐標系的矩陣形式是 （2-10）以上只推導了電流變換陣，在前述條件下，電壓和磁鏈的旋轉變換陣和電流旋轉變換陣相同。2.2三相異步電機數(shù)學模型異步電動機的數(shù)學模型由磁鏈方程、電壓方