電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、碩士學(xué)位論文電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Design of permanent magnet synchronous motor control system for electric vehicle作者姓名指導(dǎo)教師學(xué)科專業(yè)控制工程二0一五 年 六 月1摘 要本文在開始先介紹了研究電動(dòng)汽車的背景及其意義，并介紹了電動(dòng)汽車在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，然后從電動(dòng)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，驅(qū)動(dòng)性，安全性及舒適度，三個(gè)方面分析了電動(dòng)汽車比其他燃料汽車存在的優(yōu)越性。電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)汽車的核心部件，本文中從其驅(qū)動(dòng)方式把電動(dòng)機(jī)分為四大類，直流有刷電動(dòng)機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。本章從工作原理與

2、性能方面分析了，這四種電動(dòng)機(jī)各存在的優(yōu)點(diǎn)和不足。從中得出永磁同步電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)汽車比較理想的選擇。本文剛開始介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)PMSM的三種不同的控制方式，恒壓頻比控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制，并從三者之間比較得出，PMSM采用直接轉(zhuǎn)矩控制DTC的方式有著比其他兩者更好的穩(wěn)定性。隨后從永磁同步電動(dòng)機(jī)PMSM的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，分析了其優(yōu)越性，并建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)空間矢量坐標(biāo)關(guān)系推導(dǎo)出PMSM的在各坐標(biāo)系下DTC的原理。本章分析了定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的估算和滯環(huán)控制，通過其原理研究了開關(guān)表控制的方式，并對(duì)PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制DTC的Matlab/Simulink仿真，最終得出了DTC較其它控制方式的

3、穩(wěn)定性。其次分析了永磁同步電機(jī)PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制DTC存在的諸多缺點(diǎn)，并提出基于SVM技術(shù)的SVPWM的控制方式，即空間矢量調(diào)制DTC控制策略，通過Matlab/Simulink仿真，得出SVPWM比PMSM DTC有著更好的穩(wěn)定性。TI公司推出的TMS320F2812 DSP芯片的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)，兩個(gè)方面研究了該芯片。DSP硬件方面包含了智能模塊的自保護(hù)特性，并設(shè)計(jì)了檢測電路，保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)電路和CAN通信等模塊，軟件系統(tǒng)方面分析了，其初始化流程圖，接收流程圖等。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；DSP；SVPWM AbstractIn this paper

4、, we first introduce the background and significance of the research of electric vehicles, and introduces its present situation of development at home and abroad, and from the fuel economy and driving, safety and comfort, three aspects analysis the advantages of electric vehicles than other fuel veh

5、icles exist. As the motor of the core components of electric vehicles, from the drive motor is divided into four categories, DC brushless motor, permanent magnet synchronous motor, permanent magnet brushless DC motor and switched reluctance motor. This chapter analyzes the advantages and disadvantag

6、es of these four motor in the aspects of the working principle and performance. It is concluded that the permanent magnet synchronous motor PMSM as the core component of electric vehicle, is the ideal choice of the motor vehicle. In this chapter, three different control modes, constant frequency rat

7、io control, vector control and direct torque control of PMSM are introduced. And the comparison between the three, the direct torque control DTC has better than the other two.Then, the structure and characteristics of PMSM are analyzed, and the advantages of PMSM PMSM are analyzed, and its mathemati

8、cal model is established. According to the space vector coordinate, the mathematical model of PMSM is deduced and the principle of DTC is analyzed. In this chapter, the stator flux linkage and the magnetic torque estimation and the hysteresis control are analyzed, and the research methods of the swi

9、tching table control are studied by the principle. The Matlab/Simulink simulation of the direct torque control DTC of PMSM is demonstrated, and the advantages of the DTC control mode stability are proved.Secondly, the disadvantages of the PMSM direct torque control DTC, the flux linkage, the large t

10、orque ripple, and the poor performance of the control system are analyzed. The control mode of SVPWM based on SVM technology is proposed, that is, the realization of the space vector modulation DTC control strategy. Through the simulation of Matlab/Simulink, SVPWM has better stability than PMSM-DTC.

11、At last, the design of the control system of DSP TI chip is introduced, and the design of the hardware circuit and the design of the software part are studied. The chip is described in two aspects. DSP hardware includes the self-protection of the smart module, and the detection circuit, protection c

12、ircuit, driver circuit and CAN communication module. The software system analysis, and its initialization flow chart, receiving flow chart and so on many parts.Key Words： permanent magnet synchronous motor; direct torque control；DSP；SVPWMII目 錄摘 要I1. 緒論11.1 論文的研究背景和意義11.2 電動(dòng)汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.2.1 電動(dòng)汽車國外發(fā)展?fàn)顩r

13、21.2.2 電動(dòng)汽車國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀31.3 電動(dòng)汽車優(yōu)越性51.3.1 提高燃油經(jīng)濟(jì)性51.3.2 提高驅(qū)動(dòng)性51.3.3 提高安全性和舒適度51.4 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的工作原理與性能比較61.4.1 直流有刷電動(dòng)機(jī)61.4.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)61.4.3 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)71.4.4 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)71.5 永磁同步電動(dòng)機(jī)的多種控制策略81.5.1 恒壓頻比控制81.5.2 矢量控制81.5.3 直接轉(zhuǎn)矩控制81.6 本論文的的主要工作及安排91.6.1 主要研究工作91.6.2 論文安排92. 電動(dòng)汽車PMSM 系統(tǒng)研究92.1 永磁同步電機(jī)92.1.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)102.1.

14、2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型112.2 直接轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)142.2.1 定子磁鏈的估算和滯環(huán)控制152.2.2 電磁轉(zhuǎn)矩的估算與滯環(huán)控制162.2.3 開關(guān)表的研究172.3 直接轉(zhuǎn)矩控制MATLAB仿真183. SVPWM研究253.1 引言253.2 SVM技術(shù)用于永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制253.2.2 SVPWM技術(shù)研究263.2.3 電壓幅值研究293.2.4 電壓矢量的分區(qū)313.3 SVPWM的MATLAB仿真324. TMS320F2812 DSP控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)354.1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)354.2 硬件電路設(shè)計(jì)364.2.1 DSP 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)364.2.2 智能功率模塊的

15、自保護(hù)特性394.2.3 檢測設(shè)計(jì)電路414.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)455. 工作總結(jié)與展望505.1 總結(jié)505.2 展望50參考文獻(xiàn)51遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文1. 緒論 本章節(jié)開始論述了電動(dòng)汽車的研究背景，意義及其發(fā)展的現(xiàn)狀，并對(duì)傳統(tǒng)汽車與電動(dòng)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，驅(qū)動(dòng)性，安全性及舒適度進(jìn)行對(duì)比，證明了電動(dòng)汽車的優(yōu)先性，另外把多種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在工作原理和性能進(jìn)行比較，得出永磁同步電動(dòng)機(jī)更適合電動(dòng)汽車，并分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的三種控制策略，證明永磁同步電動(dòng)機(jī)，直接轉(zhuǎn)矩控制是最比較好的選擇。1.1 論文的研究背景和意義1 人類活動(dòng)對(duì)我們周圍的環(huán)境造成了一定的影響，這樣就出現(xiàn)了環(huán)境問題，環(huán)境問題對(duì)我們

16、的生產(chǎn)和生活也有影響，目前人類知道的環(huán)境污染有主要有多種：全球變暖，酸雨，淡水資源危機(jī)，土地荒漠化，物種加速滅絕，有毒化學(xué)品汽油和柴油。汽車用燃料燃燒后，產(chǎn)生的尾氣中，成分非常復(fù)雜，達(dá)有100種以上，尾氣危害著人類生存健康，對(duì)人類生活的環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。正是由于能源與環(huán)境存在的很多問題，才使人類認(rèn)識(shí)到，電動(dòng)汽車應(yīng)該代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃料汽車，這樣就會(huì)對(duì)環(huán)境的改善做出貢獻(xiàn)。電動(dòng)汽車主要是運(yùn)用電能驅(qū)動(dòng)，而電能是清潔能源，不會(huì)對(duì)大自然帶來，諸如溫室效應(yīng)，環(huán)境污染等問題，而且電能的利用率比傳統(tǒng)的汽車高很多?，F(xiàn)在很多能源都可以轉(zhuǎn)換成電能，如水能，風(fēng)能，潮汐能，等等，如若在晚上，給電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，就可以充分的

17、利用電能。 下圖給出了汽油機(jī)車輛，柴油機(jī)車輛及電動(dòng)汽車所排放的有毒有害氣體的比較。如圖1.1圖1.1 各種車輛全部有害排放物的比較 由上圖1.1可見，傳統(tǒng)的汽油，柴油汽車所排放的污染物，如CO等有害物很多，如果不經(jīng)過處理，就這樣隨便排放到我們的環(huán)境中，勢必會(huì)對(duì)我們的周圍環(huán)境帶來很大的危害，如果這些有害物質(zhì)被人類吸入的話，就會(huì)對(duì)人類的生存也會(huì)帶來危險(xiǎn)，而且電動(dòng)汽車還有一個(gè)很大的優(yōu)勢，就是不會(huì)產(chǎn)生太大的噪聲。燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)由復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置組成，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，運(yùn)行，加速的環(huán)節(jié)，會(huì)造成很大的噪聲污染，而電動(dòng)汽車就可以極大的避免了大噪聲的發(fā)生。1.2 電動(dòng)汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)代的電動(dòng)汽車發(fā)展了100

18、多年，已經(jīng)不是以前單一的技術(shù)，現(xiàn)代的電動(dòng)汽車是以電池為主要?jiǎng)恿υ?，?qū)動(dòng)來源主要是電，在進(jìn)入20世紀(jì)以來，人類在電力電子，自動(dòng)控制等方面的技術(shù)，已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，現(xiàn)代的電動(dòng)汽車包含了各種各樣的工程技術(shù)于一身?，F(xiàn)在的電動(dòng)汽車主要可以分為以下幾大類型：純電動(dòng)汽車，燃料電動(dòng)汽車，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。1.2.1 電動(dòng)汽車國外發(fā)展?fàn)顩r 在日本，美國，歐洲等許多發(fā)達(dá)國家，人類對(duì)環(huán)境的破壞越來越嚴(yán)重，所以國家政府對(duì)燃料汽車的排放要求也越來越苛刻，因此各國政府對(duì)相關(guān)的汽車廠家也投入了很多的人力，物力，財(cái)力，來促使汽車生產(chǎn)廠家開始對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)投入了很多技術(shù)，并且對(duì)電動(dòng)汽車的使用者采取鼓勵(lì)政策。這樣從國家，廠

19、家，買家三方面采取相關(guān)的措施，促使電動(dòng)汽車進(jìn)一步的發(fā)展。 (1)日本。三菱汽車公司于2009年量產(chǎn)型電動(dòng)汽車的生產(chǎn)，其使用鋰離子電池屬全世界首次的。輕型汽車“i”的車體內(nèi)搭載有永磁同步電動(dòng)機(jī)及質(zhì)量為200kg的蓄電池組，一次充電不使用空調(diào)的情況下可以行使120km，使用空調(diào)的話可以行使100km。開始初期主要賣給公司等法人單位，2010年4月開始向個(gè)人預(yù)定銷售，如果可能的話，這將是一般駕駛員可以購入的初次的真正的電動(dòng)汽車。日本汽車公司已經(jīng)在2010年后半年將其新研發(fā)的電動(dòng)汽車LEAF投入市場。LEAF使用了薄板型緊合鋰離子及輸出了功率為80kw的電動(dòng)機(jī)。有關(guān)電動(dòng)汽車的特性還沒有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，

20、所以比較很難，但是可以認(rèn)為和三菱的i-MiEV相比，能量裝置和功率裝置的性能應(yīng)該在其23倍。因此，日產(chǎn)說“可以達(dá)到和過去的汽油車同等的快速反應(yīng)和駕駛舒適性”。其發(fā)表的行使距離為充滿電情況下160km?？梢哉f制造商在加快充電速度方面也下了很大功夫，今后如果在各地配置像汽油加油站那樣的快速充電器的話，在30min 內(nèi)就可以將電池由0充到80%。新型汽車級(jí)公司三菱i-MiEV的車輛本體價(jià)格很低，即使在有國家和地區(qū)自治體的補(bǔ)助金，實(shí)質(zhì)上也還得200萬日元一臺(tái)，和汽油車的“i”相比大約是其兩倍以上。(2)美國。美國在很早以前就開始對(duì)電動(dòng)汽車的資助，并與1976年，立法，補(bǔ)貼的手段刺激本國對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展

21、。早在1900年美國加州已經(jīng)頒布了防止大氣污染的限制性法令，其要求在隨后的幾年里，加州不斷的提高新電動(dòng)車的銷售量所占的比重。正是由于美國法規(guī)的推行，促使電動(dòng)汽車慢慢的生產(chǎn)和應(yīng)用，此后，美國還陸陸續(xù)推出了很多鼓勵(lì)性的政策，來促進(jìn)廠家生產(chǎn)電動(dòng)汽車從而加速了美國電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)的進(jìn)程，并且多家公司簽訂協(xié)議，一起聯(lián)合研究新型電動(dòng)汽車電池。從而使鈉硫電池代替了原始的鉛酸電池。(3)歐洲。歐洲對(duì)環(huán)境污染看的很重，也對(duì)節(jié)能減排很重視，因此歐洲各國頒布了相關(guān)法令，來推動(dòng)電動(dòng)汽車的研發(fā)，生產(chǎn)和銷售的進(jìn)程。德國政府早在1994年就開始給電動(dòng)汽車廠家投入補(bǔ)助1.5億馬克，隨后進(jìn)一步UI新一代電動(dòng)汽車試驗(yàn)實(shí)行補(bǔ)助，低息

22、貸款及減稅等優(yōu)惠的政策，早在20世紀(jì)80年代，就已經(jīng)開始了生產(chǎn)大型電動(dòng)客車。德國政府目標(biāo)2020年成為全球第一大電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠家。法國政府在很早就在政策上支持和鼓勵(lì)開發(fā)電動(dòng)汽車技，并為電動(dòng)汽車的生產(chǎn)提供很大的資助，政府和多家電動(dòng)汽車企業(yè)簽署協(xié)議，共同研發(fā)，生產(chǎn)電動(dòng)汽車，早在1990年標(biāo)志與雪鐵龍公司就投入兩款電動(dòng)汽車進(jìn)行生產(chǎn)，并在20多個(gè)城市率先使用電動(dòng)汽車，而且政府讓政府單位先使用電動(dòng)汽車，還有可以免第一年的稅，給生產(chǎn)廠家進(jìn)行一定的補(bǔ)助等多個(gè)好的政策。因此，法國在全世界電動(dòng)汽車的使用率排在前列。英國電動(dòng)汽車的生產(chǎn)技術(shù)和電動(dòng)汽車的使用量最為廣泛，其歷史已經(jīng)可以追溯到到50多年以前，英國著名的汽

23、車設(shè)計(jì)公司早在1979年就開始研發(fā)電動(dòng)汽車，英國政府頒布了很多惠明政策，如免收各種稅款，夜間充電電費(fèi)減半等。其他國家和地區(qū)對(duì)已經(jīng)對(duì)電動(dòng)汽車的技術(shù)展開研發(fā)和生產(chǎn)。1.2.2 電動(dòng)汽車國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)電動(dòng)汽車的研究起始也比較早，但是規(guī)模比較小，投入也比較少，自20世紀(jì)80年代開始，我國政府比較重視電動(dòng)汽車的發(fā)展，于是把電動(dòng)汽車的研發(fā)列入國家發(fā)展計(jì)劃，于是國內(nèi)各高校和汽車生產(chǎn)廠家陸續(xù)開始研究電動(dòng)汽車，如清華大學(xué)，華南理工大學(xué)，東風(fēng)汽車公司，都開始研究工作，但與國外電動(dòng)汽車還有很大差距。 幸福使者電動(dòng)汽車就是天津清源電動(dòng)車輛公司生產(chǎn)的，其運(yùn)用了純電動(dòng)汽車技術(shù)。它搭載優(yōu)質(zhì)電動(dòng)機(jī)并裝配經(jīng)優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)的進(jìn)

24、口電動(dòng)機(jī)控制器，動(dòng)力強(qiáng)勁，采用國內(nèi)頂級(jí)優(yōu)質(zhì)鉛酸蓄電池，其符合環(huán)保，節(jié)能的理想效果理念。我國首款批量生產(chǎn)的電動(dòng)汽車是被譽(yù)為國內(nèi)純電動(dòng)“第一車”的眾泰2008EV純電動(dòng)乘用車，其在最大功率，最高時(shí)速，續(xù)航里程都有了很大提升。國內(nèi)第二款新能源汽車是奇瑞公司推出的純電動(dòng)汽車S18，其搭載了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，磷酸鐵鋰電池都對(duì)電動(dòng)汽車的性能有所提升。S18 充電電壓為民用220V電壓，充電46小時(shí)，可以充滿80%的電量。 “超越一號(hào)”是我國的第一輛燃料電池轎車，其生產(chǎn)并驗(yàn)收于2003年，連續(xù)行駛210km，最高時(shí)速為110km/h，這一燃料汽車的推出，大大縮短了同世界先進(jìn)國家的差距。 在混合動(dòng)力轎車領(lǐng)域，我國的第

25、一汽車集團(tuán)公司生產(chǎn)的奔騰轎車是“863”計(jì)劃資助的新一代車型，其具有節(jié)能和環(huán)保的性能。 F3DM，F(xiàn)6DM是比亞迪公司于2009年初推出的雙模電動(dòng)轎車，在日內(nèi)瓦和底特律車展上一亮相，就引起國內(nèi)外媒體的關(guān)注，而且在關(guān)鍵動(dòng)力電池技術(shù)上，領(lǐng)先于美國通用和日本豐田等品牌汽車。在鐵動(dòng)力電池領(lǐng)域，獲得了很多國內(nèi)外專利。 近幾年，我國開始重視電動(dòng)汽車的研究和開發(fā)工作，在2001年，科技部把電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)論證會(huì)列為我國“十五”“863”計(jì)劃，此計(jì)劃標(biāo)志著電動(dòng)汽車開發(fā)專項(xiàng)正式啟動(dòng)，對(duì)我國汽車產(chǎn)業(yè)有很大意義，并計(jì)劃于2011年，生產(chǎn)20萬輛純電動(dòng)車，混合動(dòng)力汽車等新能源汽車。 隨著國家對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)的逐步重視，

26、各大汽車生產(chǎn)廠家也加大對(duì)電動(dòng)汽車研發(fā)和生產(chǎn)的投入，慢慢形成了一大產(chǎn)業(yè)，我國政府的政策也開始對(duì)電動(dòng)汽車傾斜，各大廠商展開合作，共同研究電動(dòng)汽車這一大新興產(chǎn)業(yè)。與此同時(shí)，電動(dòng)汽車中的很多重要的組成部分，如電池，電機(jī)等也加大了投入和研究。我國經(jīng)過這些年的不懈努力，我國電動(dòng)汽車行業(yè)也有了很大提升。1.3 電動(dòng)汽車優(yōu)越性電動(dòng)汽車用電驅(qū)動(dòng)，傳統(tǒng)的燃油汽車使用的是汽油或柴油，從轉(zhuǎn)換率來講，用電驅(qū)動(dòng)有著更高的變換效率，并且電動(dòng)汽車還有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如，燃油經(jīng)濟(jì)性，驅(qū)動(dòng)性，安全性和舒適度。另外由于環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，成為了不容忽視的問題，因此電動(dòng)汽車在未來有很多的發(fā)展空間，在很大程度上，可能代替燃油汽車的發(fā)展空

27、間。1.3.1 提高燃油經(jīng)濟(jì)性汽車在運(yùn)行的時(shí)候，輪胎有一個(gè)向前的速度，在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，也有一個(gè)轉(zhuǎn)彎的旋轉(zhuǎn)力，而這相當(dāng)于空轉(zhuǎn)，因此，現(xiàn)在只傳遞了60%的動(dòng)力，40%在滑轉(zhuǎn)，我們汽車的轉(zhuǎn)速，就有一部分損耗在了汽車的轉(zhuǎn)彎的部分，這和實(shí)際的車速還是有很大的區(qū)別的。據(jù)此，發(fā)現(xiàn)兩者之間有很大的差別。而這個(gè)差值就會(huì)讓我們浪費(fèi)很多的能量，輪胎摩擦生熱，并且會(huì)在一定程度上，對(duì)輪胎有磨損3，解決這個(gè)問題的辦法是運(yùn)動(dòng)控制，檢測驅(qū)動(dòng)和車輪速度，當(dāng)滑轉(zhuǎn)的時(shí)候，就降低轉(zhuǎn)矩，這樣無效運(yùn)動(dòng)就會(huì)降低，可以將損失降低很多。使用運(yùn)動(dòng)控制效果確實(shí)可以顯示。另外，電動(dòng)汽車是利用電來驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，而傳統(tǒng)的燃油汽車，使用的是化學(xué)能，燃燒推動(dòng)發(fā)

28、動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣它的轉(zhuǎn)化率很低，電直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽機(jī)效率很高。1.3.2 提高驅(qū)動(dòng)性由于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)體積大，其小型化有一定難度，還需要設(shè)置冷卻和排氣系統(tǒng)，而電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)，體積很小，這樣電動(dòng)汽車就可以安裝多個(gè)電動(dòng)機(jī)，他們直接只需幾根電線來連接。這樣就可以在每個(gè)車輛安裝一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)汽車四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)成為可能，在進(jìn)入彎道時(shí)，電動(dòng)汽車不同的發(fā)動(dòng)機(jī)就可以用輸出不同的轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)，這樣就就提升了其驅(qū)動(dòng)能力。1.3.3 提高安全性和舒適度電動(dòng)汽車使用的電動(dòng)機(jī)精確控制車輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩只需檢測電動(dòng)機(jī)的電流值，而傳統(tǒng)的燃料汽車，則非常困難，如果能夠控制發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生的轉(zhuǎn)矩，就可以估算出車輛的運(yùn)行路面狀態(tài)，

29、并提出警示，根據(jù)路面狀況的最優(yōu)控制也可能的，這樣就會(huì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)更安全，更舒適的汽車，而傳統(tǒng)的燃料汽車則不能實(shí)現(xiàn)這樣的功能。通過燃料的比較可以看出電動(dòng)汽車的燃料費(fèi)比汽油車還便宜。 表1.1 燃料費(fèi)的比較種類條件每千米的燃料費(fèi)電動(dòng)汽車夜間電費(fèi)12 日元通常電費(fèi)310日元汽油車1L 燃料行駛距離為 5km24 日元1L 燃料行駛距離為 10km12日元1L 燃料行駛距離為 15km8日元1L 燃料行駛距離為 20km6日元 1.4 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的工作原理及性能比較電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車最關(guān)鍵的子系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，并通過傳動(dòng)裝置（或直接）將能量傳遞到車輪進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車輛按照駕駛員意志行駛

30、的重任。電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的心臟。電動(dòng)機(jī)的選擇是否合適決定著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能的好壞，電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是電動(dòng)機(jī)的選擇。根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求，可以把驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)分為：直流有刷電動(dòng)機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。在最早的時(shí)候，電動(dòng)汽車選擇的電動(dòng)機(jī)一般都采用直流電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單，成本低，但隨著人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，比直流電動(dòng)機(jī)更優(yōu)越的電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)，如就交流電動(dòng)機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等，很有可能代替直流電動(dòng)機(jī)。 1.4.1 直流有刷電動(dòng)機(jī) 早期電動(dòng)汽車有蓄電池供電，采用的是直流有刷電動(dòng)機(jī)，其主要優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，技術(shù)成熟，具有優(yōu)良的控制特性，即使到現(xiàn)在仍有一些電動(dòng)汽

31、車使用直流電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。雖然直流有刷電動(dòng)機(jī)有著上面所述的優(yōu)點(diǎn)，但是由于其電刷及換向器，對(duì)電機(jī)的速度和負(fù)載能力有一定的影響，特別是長時(shí)間運(yùn)行，直流電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器不得不進(jìn)行維護(hù)，特別由于轉(zhuǎn)子的損耗，是直流電機(jī)很難散熱，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的提高有一定的影響，并且電機(jī)的維護(hù)麻煩，轉(zhuǎn)換效率低，由于直流電機(jī)的電刷和換向器容易產(chǎn)生火花，會(huì)生成電磁干擾，限制電機(jī)的轉(zhuǎn)速及電壓，因?yàn)樯鲜鲋绷饔兴㈦妱?dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，最新研制的電動(dòng)汽車已很少使用直流有刷電動(dòng)機(jī)了。1.4.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanet Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM）與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)不需要無

32、功勵(lì)磁電流，可以明顯的提高功率因素，并減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有過多的因運(yùn)行時(shí)電阻損耗，進(jìn)而降低了由于電流產(chǎn)生的損耗，降低了溫度的產(chǎn)生，可以降低風(fēng)扇的安裝或徹底去掉風(fēng)扇，從而提高了永磁同步電機(jī)的效率。永磁同步電動(dòng)機(jī)要保持比較高運(yùn)行效率及輸出功率因素，只需要15%120%較大范圍內(nèi)就可以了，如果在負(fù)載很小的情況下，運(yùn)行的效率就會(huì)更好，相同5。1.4.3 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種高性能的電動(dòng)機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動(dòng)機(jī)的外特性而沒有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。另外，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵(lì)磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，

33、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運(yùn)行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可在每分鐘以高達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)的速度運(yùn)行。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動(dòng)汽車中有著很好的應(yīng)用前景。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的功率范圍較小。永磁材料在受到振動(dòng)，高溫和過載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降或發(fā)生退磁想象，將降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，在使用中必須嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在恒功率模式下，操縱復(fù)雜，需要一套發(fā)展的控制系統(tǒng)，從而使

34、得永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造價(jià)很高。1.4.4 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種新型電動(dòng)機(jī)，具有很多明顯的特點(diǎn)：它的結(jié)構(gòu)比其他任何一種電動(dòng)機(jī)都簡單，在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)，繞組和永磁體等，只是在定子上有簡單的集中繞組，繞組的端部很短，沒有相間跨線，維護(hù)修理容易，因而可靠性好，轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min，效率可達(dá)85%93%開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許較高溫升。調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性，而且在很廣的范圍內(nèi)保持高效率，因而，更加適合電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能要求。但是，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)比其他電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)復(fù)雜一些，位置檢測器是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵

35、器件，其性能對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制操作有重要影響。由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，噪聲是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最主要的缺點(diǎn)。但近年來的研究表明，采用合理地設(shè)計(jì)，制造和控制技術(shù)，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，功率變換器的直流電流波動(dòng)也較大，所以在直線母線上需要裝置一個(gè)很大的濾波電容器。近年來，開關(guān)詞組電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車上得到一定的應(yīng)用。1.5 永磁同步電動(dòng)機(jī)的多種控制策略永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速與電源頻率的嚴(yán)格同步，采用變壓變頻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)采用的控制策略主要有恒壓頻比控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。1.5

36、.1 恒壓頻比控制恒壓頻比控制是一種開環(huán)控制。根據(jù)系統(tǒng)的給定，利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓uOUT進(jìn)行控制，使電動(dòng)機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。在一些動(dòng)態(tài)性能要求不高的場所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用于一般的調(diào)速系統(tǒng)中，但因其依據(jù)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動(dòng)態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為非線性，多變量，它含有與id或iq的乘積項(xiàng)，因此要得到精確的動(dòng)態(tài)控制性能，必須對(duì)與id或iq解耦。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動(dòng)機(jī)的非線性特性。1.5.2 矢量控制高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要現(xiàn)代控制理論的支持，對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)，

37、目前使用最廣泛的當(dāng)屬矢量控制方案。矢量控制的基本思想是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律，磁場定向坐標(biāo)通過矢量變換，將三相交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這兩個(gè)分量相互垂直，彼此獨(dú)立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲得像直流電動(dòng)機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)特性。因此矢量控制的關(guān)鍵在于對(duì)定子電流幅值和空間位置（頻率/相位）的控制。矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實(shí)施是對(duì)id，iq的控制。由于定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)，控制和計(jì)算都不方便。需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn)行矢量控制，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大

38、打折扣。1.5.3 直接轉(zhuǎn)矩控制矢量控制因其復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動(dòng)機(jī)的機(jī)械常數(shù)，所以不能迅速的響應(yīng)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。針對(duì)矢量控制的這一缺點(diǎn)，德國學(xué)者Depenbrock 于20世紀(jì)80年代提出了一種具有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性的控制方案，即直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。該控制方案摒棄了矢量控制中解耦的控制思想及電流反饋環(huán)節(jié)，采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點(diǎn)式控制直接對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。1.6 本論文的的主要工作及安排 1.6.1 主要研究工作本文從介紹電動(dòng)汽車不同電機(jī)開始研究，分析了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模型，研究了PMSM DTC的控制系統(tǒng)并

39、仿真。進(jìn)一步研究了基于SVM的技術(shù)控制技術(shù)，分析其原理，從而比較出更好的控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)出了TMS320F2812控制系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分。 1.6.2 論文安排 第一章：緒論部分，簡單介紹了電動(dòng)汽車的PMSM電機(jī)的背景及意義，并比較分析多種電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，原理及性能。第二章：提出了PMSM的DTC的研究，建立模型，并通過MATLAB仿真。 第三章：通過研究傳統(tǒng)的DTC的缺點(diǎn)，提出基于SVM的SVPWM控制技術(shù)，并通過MATLAB仿真。 第四章：提出了TMS320F2812 DSP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過從硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)，分析，得出改進(jìn)后系統(tǒng)更穩(wěn)定。 第五章：對(duì)本文工作的總結(jié)及展望2. 電

40、動(dòng)汽車PMSM 系統(tǒng)研究 本章選擇永磁同步電機(jī)PMSM作為研究的對(duì)象，通過分析其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，并建立數(shù)學(xué)模型，選擇了直接轉(zhuǎn)矩控制DTC作為主要的研究控制方式，對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估算和滯環(huán)控制，進(jìn)行了MATLAB仿真。2.1 永磁同步電機(jī) 永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor：PMSM）具有高效率，第轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，高動(dòng)態(tài)性能和高能量密度等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于大范圍的調(diào)速和定位系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)雖然其轉(zhuǎn)子為永磁體，同時(shí)由于以功率開關(guān)器件取代了直流電機(jī)中的電刷和換向器，因此維護(hù)和耐環(huán)境方面要優(yōu)于直流電機(jī)，只在逐漸取代過去需要使用直流電機(jī)的場合。永磁同步

41、電動(dòng)機(jī)的發(fā)展得益于電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)是弱點(diǎn)與強(qiáng)電之間的橋梁。20世紀(jì)80年代，由于釹鐵硼永磁材料的產(chǎn)生和發(fā)展，促進(jìn)了永磁同步電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用。目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)正向大功率化和微型化方向發(fā)展。2.1.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 永磁同步電動(dòng)機(jī)中用永磁體替代普通同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁同步繞組，不需要轉(zhuǎn)子繞組，從而省略掉了勵(lì)磁線圈以及供應(yīng)勵(lì)磁繞組勵(lì)磁電流的外部電源，電刷以及安裝在轉(zhuǎn)子軸上的滑環(huán)，也免去了對(duì)電刷的定期維護(hù)6-8。同傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)一致，永磁同步電動(dòng)機(jī)本體由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，主要由沖有槽孔的硅鋼片，三相繞組，機(jī)殼及端蓋等部分組成。轉(zhuǎn)子用永

42、磁材料制成無明顯磁極的隱極式，采用適當(dāng)?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)，使磁勢波形的空間分布接近正弦波。與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)類似，多相繞組在空間上均勻地分布，在其繞組中通入對(duì)稱交流電時(shí)，將在氣隙中產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的圓形磁場。當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速與定子產(chǎn)生的氣隙磁場相同方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，定，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁場之間無相對(duì)速度，在空間上互差某電角度（稱為功率角）。這兩個(gè)相對(duì)靜止的氣隙磁場相互作用，將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)改變定子電流時(shí)，定子氣隙磁場將發(fā)生變化，而會(huì)改變電磁轉(zhuǎn)矩，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，帶不同負(fù)載的目的。因此，在永磁同步電動(dòng)機(jī)中進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的為定子電樞。同時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)由于主磁極在轉(zhuǎn)子上，所以屬于旋轉(zhuǎn)磁極式同

43、步電動(dòng)機(jī)。通過分析可知，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子只能以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，否則定，轉(zhuǎn)子分別產(chǎn)生的氣隙磁場之間將會(huì)有相對(duì)速度，無法進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。按照永磁體在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的安裝位置，永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以分為三類：面貼式，插入式和內(nèi)嵌式。如下圖。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和的安裝方法對(duì)電動(dòng)機(jī)的性能影響很大，因此，面貼式，插入式和內(nèi)嵌式的永磁同步電動(dòng)機(jī)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。 圖2.1 PMSM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分類 面貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用9。另外，這種類型的電動(dòng)機(jī)易于優(yōu)化設(shè)計(jì)，可將氣隙磁鏈設(shè)計(jì)成近似正弦分布，從而減少磁場諧波及其負(fù)面效應(yīng)，提高了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能。插入式

44、永磁同步電動(dòng)機(jī)，可以充分利用轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高點(diǎn)凍結(jié)的功率密度，使得電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能較面貼式有所改善，制造也較方便，缺點(diǎn)是漏磁系數(shù)和制造成本較面貼式都大。內(nèi)嵌式永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，因?yàn)橛来朋w嵌入轉(zhuǎn)子中，永磁體去磁的危險(xiǎn)性小，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子漏磁系數(shù)最大。雖然不同的永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別很大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有如下共同特點(diǎn)10：(1)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，過載能力強(qiáng)。當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，僅使電動(dòng)機(jī)的功角適當(dāng)變化，而轉(zhuǎn)速維持在原來的同步轉(zhuǎn)速不變，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不會(huì)影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。永磁同

45、步電動(dòng)機(jī)的瞬間最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的3倍以上，使得永磁同步電動(dòng)機(jī)非常適合在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下運(yùn)行。(2)高功率因素，高效率。永磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比，不需要無功勵(lì)磁電流，所以能夠得到比異步電動(dòng)機(jī)高很多的功率因素，進(jìn)而得到相對(duì)更小的定子電流和定子銅耗，并且永磁同步電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子銅耗，進(jìn)而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇容量甚至去掉風(fēng)扇，從而減小相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，使它的效率比同規(guī)格的異步電動(dòng)機(jī)提高28 個(gè)百分點(diǎn)。(3)體積小，重量輕。近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率密度得到了很大提高，與同容量的異步電動(dòng)機(jī)相比，體積和重量都有較大的減少，使其適合應(yīng)用在很

46、多特殊場合。(4)結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣，永磁同步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的多樣化，產(chǎn)生了特點(diǎn)和性能各異的許多品種。從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從民用到國防，從日常生活到航天航空，從簡單的電動(dòng)工具到高科技產(chǎn)品，機(jī)會(huì)無所不在。(5)可靠性高。與直流電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)比，沒有電刷，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)的可靠性自然得以提高。2.1.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型在分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，為了使分析簡化，做如下假設(shè)11-12：(1) 電動(dòng)機(jī)的定子繞組Y連接，繞組電流為對(duì)稱的三相正弦波電流；(2) 定子磁場呈正弦分布，不考慮諧波與飽和的影響；(3) 忽略電動(dòng)機(jī)的渦流和磁滯損耗。 在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立永磁同步電動(dòng)機(jī)

47、在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型時(shí)，個(gè)坐標(biāo)系的相互關(guān)系，如下圖圖2.2 PMSM坐標(biāo)系的關(guān)系兩相靜止坐標(biāo)系中的 軸與三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC中的A軸重合；兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以轉(zhuǎn)子角速度r在旋轉(zhuǎn)，d軸指向轉(zhuǎn)子磁鏈f的方向；xy坐標(biāo)系以定子磁鏈角速度e旋轉(zhuǎn)，x軸指向定子磁鏈s的方向。d軸與A軸的夾角為r，為電動(dòng)機(jī)定，轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縮與f之間的夾角，即電動(dòng)機(jī)的功角。(1)電動(dòng)機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型在定子三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC中，忽略定子繞組，其電壓和磁鏈?zhǔn)噶靠梢苑謩e表示為式（2.1）和式（2.2）。 （2.1）式中，p為微分算法（p=d/dt），ua，ub，uc分別為A,B,C三相定子電壓，ia，ib，ic分別

48、為A，B，C三相定子電流，由于定子三相繞組完全對(duì)稱，則定子三相繞組的電阻Ra=Rb=Rc=Rs，a，b，c為A，B，C各相繞組的磁鏈。 （2.2）式中，r=rt，r為轉(zhuǎn)子角速度，ra（r）,rb（r），rc（r）分別表示轉(zhuǎn)子磁鏈在A，B，C三相繞組中產(chǎn)生的交鏈。定子三相繞組的自感La=Lb=Lc=Ls,定子三相繞組互感Mab=Mac=Mbc=Mba=Mca=Mcb=Ms.轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的主磁通與A，B，C相定子繞組交鏈磁鏈和轉(zhuǎn)子磁極的位置有關(guān)。轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中的分布呈正弦形，用r表示以A相定子繞組為基準(zhǔn)往電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向取得轉(zhuǎn)子磁極的角度，那么轉(zhuǎn)子磁鏈在各相繞組中的交鏈可以表示為 （2.3） 由

49、于通入三相繞組中的電流是對(duì)稱的，因此存在ia+ib+ic=0.把此條件代入（式2.1）可得 （2.4）式中，L=Ls-Ms，Ls是三相繞組的自感，Ms是三相繞組互感。(2)電動(dòng)機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型建立dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，目的是為了得到定子電壓，電流均為直流的永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程式，對(duì)分析永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性都十分方便。電壓回路方程可以表示為 （2.5）假設(shè)電動(dòng)機(jī)時(shí)線性的，參數(shù)不隨溫度等變化，忽略磁滯，渦流耗損，轉(zhuǎn)子無阻尼繞組，那么，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，定子磁鏈方程可以表示為 （2.6）轉(zhuǎn)矩方程Te=np(diq-qid) （2.7）電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為 （2.8

50、） (3)電動(dòng)機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的模型 為了簡便，直接根據(jù)坐標(biāo)變換理論，把永磁同步電動(dòng)機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系dq下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下，得到如下電壓方程式：（2.9）同樣可得到電動(dòng)機(jī)在坐標(biāo)系下的磁鏈方程為 （2.10）在兩相靜止坐標(biāo)系下，根據(jù)定子回路的電壓平衡方程式，可對(duì)電壓求積分得到 （2.11） （2.12）電磁轉(zhuǎn)矩為： （2.13）(4)電動(dòng)機(jī)在磁場旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型xy磁場旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系也屬于解耦的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，變換原理和形式與dq坐標(biāo)系相似，x軸與d軸之間的夾角。xy坐標(biāo)系與dq坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)變公式如式所示 （2.14）式中的變換矩陣也適用于電壓，磁鏈?zhǔn)噶俊y坐標(biāo)系

51、下的磁鏈計(jì)算式為 （2.15）由于y=0，所以由式可得 （2.16） 因?yàn)閤=y，所以根據(jù)式可得： （2.17） 將電流id，iq由坐標(biāo)變換到電流ix，iy，代入式6.7.可得在xy坐標(biāo)系中的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式： （2.18）對(duì)于隱極式永磁同步電動(dòng)機(jī)來講，由于Ld=Lq=Ls，所以轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式又可寫成 （2.19） 在上式中sr為定子磁鏈相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度，0為轉(zhuǎn)矩角變化前一時(shí)刻的初值。由上式可知，當(dāng)定子磁鏈保持幅值恒定，轉(zhuǎn)矩角從-90°變化到90°時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)矩角增大而增大，且轉(zhuǎn)矩角為90°時(shí)，轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大。2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)從上式可以得到，當(dāng)定

52、子磁鏈大小保持不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁鏈轉(zhuǎn)矩是隨著轉(zhuǎn)矩角的變化而變化的。因此可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩角來對(duì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。角雖然不能直接調(diào)節(jié)。這是因?yàn)槎ㄗ与姶艜r(shí)間常數(shù)比轉(zhuǎn)子的機(jī)械時(shí)間常數(shù)小，所以當(dāng)迅速改變定子磁鏈旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化滯后于定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而達(dá)到改變角的目的。要使定子磁鏈迅速改變方向，可根據(jù)需要選擇基本電壓矢量中的一個(gè)施加給逆變器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)角的控制。 綜上所述，永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的理論基礎(chǔ)為：通過控制定子磁鏈幅值保持恒定，改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和方向來瞬時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)矩角，就能夠?qū)崿F(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)控制，這也是直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想。永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系

53、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖?？刂葡到y(tǒng)將電動(dòng)機(jī)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差PI調(diào)節(jié)器輸出給定轉(zhuǎn)矩信號(hào)，磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的估算值電壓和逆變器的開關(guān)信號(hào)以及逆變器電流，在根據(jù)電動(dòng)機(jī)在坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型計(jì)算而得；根據(jù)計(jì)算出的磁鏈分量，可以判斷出定子磁鏈所在的區(qū)段。把定子磁鏈的給定值和估算值進(jìn)行比較，并經(jīng)過滯環(huán)比較器后，信號(hào)輸入電壓矢量查詢表，再把定子磁鏈?zhǔn)噶克诘膮^(qū)段號(hào)輸入電壓矢量查詢表。通過事先設(shè)定好的電壓矢量查詢表，確定出適當(dāng)?shù)拈_關(guān)狀態(tài)，控制逆變器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)12。 圖2.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制框圖2.2.1 定子磁鏈的估算和滯環(huán)控制 關(guān)于定子磁鏈幅值的估算方法和電壓矢量對(duì)定子磁鏈的作用，介紹

54、定子磁鏈的位置角估算方法和磁鏈滯環(huán)控制。(1)定子磁鏈位置角的檢測根據(jù)電壓模型法計(jì)算求得的s的幅值，求出兩相坐標(biāo)系中的分量，那么s的位置角可以按照下式求得： （2.20）根據(jù)的值，可以判斷某一時(shí)刻定子磁鏈?zhǔn)噶克诘膮^(qū)域n（n=1,2,3,4,5,6,）。(2)定子磁鏈的滯環(huán)控制如圖中總共有3個(gè)圓，圖中的虛線圓表示s給定值|s*|；兩個(gè)實(shí)線圓之間的折線表示定子磁鏈幅值的實(shí)際值，用|s|表示，兩個(gè)實(shí)線圓的半徑差2|s|，即允許的誤差范圍。在運(yùn)行中，要求定子磁鏈|s|能滿足如下關(guān)系：|s*|-|s| |s|s*|+|s| （2.21） 圖2.4 電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈的滯環(huán)控制按照要求，選取欠當(dāng)?shù)幕倦妷菏噶?，控?/p>