【正文】 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 接影響著整車的安全性、舒適性、環(huán)保性和經(jīng)濟性。因此研究更加可靠舒適、環(huán) 境友好、經(jīng)濟的電動車用電機驅動系統(tǒng)勢在必行。 永磁無刷直流電機發(fā)展與現(xiàn)狀 1955 年美國 D． H枷 son 等人首次申請了用晶體管換相電路代替機械電刷的專利，標志著現(xiàn)代無刷電動機的誕生。 1964 年，它被美國航空航天局應用于衛(wèi)星姿態(tài)控制、太陽能電池板的跟蹤控制等領域。 1978 年，當時的 M秈 esmaIlIl 公 司 MAC 經(jīng)典無刷直流電動機及其驅動系統(tǒng)問世，電子換相式無刷直流電機進入實際應用階段。一直以來，各國學者對無刷直流電動機本體進行了深入的研究，先后成功研制方波直流永磁無刷電機和正弦波直流永磁無刷電機 (被稱為新一代的永磁同步電機 )。由于電機的永磁體、電機控制技術、電力電子技術尤其是功率開關器件的技術進步，永磁無刷直流電機的發(fā)展日新月異。 50年來，它被逐步推廣到軍工裝備、工業(yè)、民用控制等領域，現(xiàn)已成為最具發(fā)展前途的電機產(chǎn)品。近三十年，特別是改革開放以后，由于出口和內需的拉動，以及外資企業(yè)的進入和國內企業(yè)的高速發(fā)展 ，我國對永磁無刷直流電機技術的研究也緊跟時代的腳步。自從上個世紀 80 年代初開始，國家科研院所、企業(yè)研發(fā)部門及部分高校的科研工作者就開始對永磁無刷直流電機及其驅動技術進行了深入的研究。隨著改革開放以來工業(yè)生產(chǎn)及民用設備對無刷直流電機需求逐漸增加，其控制技術也得到了快速發(fā)展，相關產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)成型。 永磁無刷直流電機采用永磁轉子，其轉子磁鋼結構經(jīng)過專門的磁路設計，使電機可以獲得梯形波的氣隙磁場。電機不采用機械式換向器和電刷，而是采用由固態(tài)逆變器和轉子位置檢測器組成的電子換向器。位置傳感器用來檢測轉予在運動過程中的位置，并將位置信號轉換為電信號，保證各相繞組的正確換流。永磁無刷直流電動機在工作時，直接將方波電流輸入永磁無刷直流電動機的定子中，控制永磁無刷直流電動機運轉。永磁無刷直流電動機的優(yōu)點是效率高，起動轉矩大，過載能力強，高速操作性能好，無電刷，結構簡單牢固，免維護或少維護，體積小質量輕，但會產(chǎn)生轉矩脈動，電流損耗大，工作噪聲大。 電動車的大量使用極大帶動永磁無刷直流電機的發(fā)展，同時，也對永磁無刷直流電機驅動控制技術提出了更高的要求。對比一般工業(yè)及民用家電用永磁無刷直流電機的控制技術，電動車用永磁無刷直流電機的驅動 控制技術難度更大，對運行安全性、駕駛舒適性、運行效率要求都更高。基于這些要求，國內、外相關科研單位及企業(yè)對應用于電動車領域的永磁無刷直流電機驅動控制技術進行了深入的研究，在傳統(tǒng)方波控制技術中加入改進的 PI調節(jié)控制、模糊控制及滑模變結構控制等先進技術。 矢量控制策略概述 矢量控制理論以及基于磁場定向控制技術的交流調速系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)界得到廣泛 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的應用。對電機的控制其實就是對電機轉矩的控制，無刷直流電機磁場定向控制通過對交直軸電流分別控制實現(xiàn)對電機轉矩的間接控制。 20 世紀 30 年代以來，交流電機理 論在同步電機雙反應原理、旋轉坐標變換等理論基礎上逐步形成了交流電機的 Park 方程，而后又由布朗進一步建立了電機的同一理論，從理論上證明了交流電機與直流電機的同一性。在這些理論研究基礎之上， 1971 年德國西門子公司 F． Blaschke 等與美國 P． C． Custman 等幾乎同時提出了交流電機磁場定向控制的原理，經(jīng)過不斷的研究與實踐，形成了現(xiàn)在獲得廣泛應用的矢量控制系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)是通過坐標變換，把交流電機在按照磁鏈定向的旋轉坐標系上等效成直流電機，從而模仿直流電機進行控制，使交流電機的調速性能達到或 超過直流電機的性能。 1972 年德國西門子公司的 Bayer 繼 F． Blaschke 的異步電機磁場定向控制原理發(fā)表之后，提出了同步電機磁場定向控制原理。矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點是有良好的轉矩響應，精確的速度控制，零速時可以實現(xiàn)全負載。矢量控制基本思想是在普通交流電動機上設法模擬直流電動機轉矩控制方式，通過電動機外部的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對電樞磁動勢和勵磁磁場進行空間定向控制，即控制兩者的空間電角度。若電樞電流矢量的幅值也能控制，就可以獲得與直流電動機同樣的調速性能。矢量控制是以永磁同步電動機在不同坐標系下的數(shù)學模型為 基礎，將原來數(shù)學模型經(jīng)過一系列矢量變換 (3S/2S 變換、 2S/2R 變換 )，變換到與同步坐標系統(tǒng)等效的正交兩相坐標系中，通過對相關矢量 (電流、磁鏈 )在該坐標系統(tǒng)中各分量的獨立控制，得出此時的控制指令值，再經(jīng)逆變換計算得到系統(tǒng)控制量 (電流、電壓 ) 在三相坐標系中的大小，實現(xiàn)快速高效的調速控制。 矢量控制的目的是改善轉矩控制性能，其最終實施則落到對定子三相電流的控制上。由于定子側的各個物理量（電流、電壓、磁動勢、電動勢等）都是交流量，其空間矢量以相同轉速同步旋轉，直接對其控制、調節(jié)和計算都很不方便，因此，要 借助坐標變換將定子側的各個物理量從三相靜止坐標系變換到同步旋轉坐標系中。從同步旋轉坐標系看，電機各空間矢量就變成了直流矢量，繼而根據(jù)轉矩公式在同步旋轉坐標系中的形式，找到被控矢量（電壓或者電流）各個分量和轉矩之間的關系，就可以實時地計算出轉矩控制所需要的被控矢量的各個分量值?？刂葡到y(tǒng)按照這些分量值進行實時地控制，就能使交流電動機得到像直流電動機一樣的控制性能。但由于這些分量值是在同步旋轉坐標系下的，而不是實際存在的物理量因此，還須要經(jīng)過坐標逆變換，將其從同步旋轉坐標系變換到三相靜止坐標系中，變換成系統(tǒng)可以實 際操作的數(shù)據(jù)（電壓矢量或電流矢量），在三相靜止坐標系上對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。 進入 21 世紀，對矢量控制理論的研究仍在繼續(xù)，德日美三國走在世界前列。日本在研究無速度傳感器方面較為先進，主要體現(xiàn)在結合了通用變頻器的應用方面；美國則是對電動機參數(shù)的識別進行了深入地研究，并且將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等一些智能控制技術應用其中；而德國則致力于大功率系統(tǒng)中矢量控制方法的應用，西門子 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 公司已經(jīng)開始在交流傳動電力機車等兆瓦級功率場合應用矢量控制技術。無速度傳感器控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制 理論在電動機調速控制系統(tǒng)中的應用，以及大功率交流傳動系統(tǒng)中矢量控制方法的成功應用，將矢量控制推向新的高度。日本學者 Yamamura， Nabae 等人借鑒了矢量控制的思想和方法，應用穩(wěn)態(tài)轉差頻率得出轉子磁場位置的方法，提出了轉差量控制方法。該理論出發(fā)點是異步電機的轉矩主要由電機的轉差頻率來決定。它以定子電流和頻率為控制量，保持電動機的旋轉磁場大小不變，而改變磁場的旋轉速度，從而實現(xiàn)電動機轉矩的實時控制。 根據(jù)控制目標的不同，定子直交軸電流的具體控制方法可分為如下幾類： id = 0 控制、最大轉矩電流比控 制、恒磁鏈控制、最大輸出功率控制等。根據(jù)不同的控制對象，采用不同的電流控制模式，但在本質上存在著共同點：通過電流環(huán)來實現(xiàn)電機轉矩的間接控制。 論文研究內容及章節(jié)安排 本 文 主 要 以電 動 車用 無 刷 直流 電 機矢 量 控 制技 術 實現(xiàn) 展 開 研究 ， 用Matlab/Simulink 實現(xiàn)模擬仿真。主要內容及章節(jié)安排如下： 第一章為緒論。主要介紹課題研究背景及意義，介紹了無刷直流電機的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，對矢量控制進行了簡介。 第二章為無刷直流電機的工作原理與數(shù)學模型，介紹了無刷直流電機的工作原理，并且推導了無刷直流電機的 電壓、轉矩和運動方程。 第三章為矢量控制坐標變換，主要對矢量控制理論及其數(shù)學推導、坐標變換進行了分析和研究。 第四章、第五章為無刷直流電機矢量控制系統(tǒng)及仿真實驗，根據(jù)前幾章對理論的研究，結合推導的數(shù)學方程，建立 MATLAB/SIMULINK 仿真模型，得出仿真結果，根據(jù)結果驗證控制理論并對結果進行說明分析。 第六章為全文的總結與展望。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第二章 無刷直流電機的工作原理以及數(shù)學模型 無刷直流電機結構 無刷直流電機由電動機主體，控制器和轉子傳感器組成， 是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。其框圖如圖： 圖 無刷直流電機的構成框圖 電動機主體 直流無刷電機的電機本體的主要特點是采用永磁轉子，轉子磁鋼由稀土永磁材料構成，具有較強的矯頑力和高密度的剩余磁通；另一方面，稀土永磁材料的磁導率接近空氣，對電機直、交軸磁阻均較大，可以減小電樞反應；而定子結構則于交流感應電動機的相似，都是采用三相或二相繞組；直流無刷電機的電機本體通常采用整距疊繞組制作定子繞組，針對極對數(shù)較多的情況，采用分 數(shù)槽繞組方式。單一繞組的轉矩波動比較大，但是用戶一般對無刷電機的轉矩要求較高，通常為了獲得較為平穩(wěn)的轉矩而采用多相繞組結構。轉子由永久性磁材按一定偶數(shù)對的極對數(shù)組成，其結構有很多種，常用的有永磁環(huán)直接套在轉軸上、在導磁鐵心里嵌上永磁體等。 控制器 控制器的功能是完成電子換向功能，由功率邏輯開關電源和位置傳感器信號處理單元組成，將檢測到的位置信號進行處理，按照一定的邏輯順序去觸發(fā)功率開關器件，使電動機本體產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉矩。功率邏輯開關模塊是電機控制系統(tǒng)的核心，其功能是將電源所提供的電能按 照一定的邏輯關系分配給無刷直流電機定子上的各相繞組，從而使電動機產(chǎn)生連續(xù)的轉矩。速度和電流信號采集、處理模塊所輸出的信號決定各相繞組導通的順序和通斷時間。 位置傳感器 轉子位置傳感器主要是通過檢測實際的轉子磁極位置為控制器提供正確的換向 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 信息。轉子位置傳感器主要是通過檢測實際的轉子磁極位置為控制器提供正確的換向 信息。常用的位置傳感器有光電式、電磁式和磁敏式三種； (1)磁敏式位置傳感器 控制系統(tǒng)中所用的霍爾位置傳感器是一種磁敏式位置傳感器，它是利用霍爾效應制成的一種半導體器件，該傳感器 安置于外磁場中，在通電的情況下即可產(chǎn)生霍爾效應輸出霍爾電勢信號；如果沒有外部磁場的作用，該傳感器也不能發(fā)揮作用。 霍爾位置傳感器體積較小、制造結構簡單、可靠性較高、價格相對比較低， 但是其抗干擾能力較差，受工作環(huán)境的溫度影響比較大，因此，該傳感器一般應 用于對性能要求不高和環(huán)境適宜的場合。 (2)光電式位置傳感器 光電式位置傳感器由光電耦合開關和遮光板組成，其中，光電耦合開關沿圓周均勻分布，并且固定在定子上。每只光電耦合開關都是有紅外發(fā)光二極管以及 光敏三極管組成，并且它們相互對稱：在兩者之問安裝了 帶有窗口的遮光盤，這 種盤上的窗口都有一定的角度。 這種位置傳感器具有抗干擾能力強、輕巧便于安裝、調整更換較為方便等優(yōu) 點，其缺點為對環(huán)境要求高、輸出信號需處理。 (3)電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器由定子和跟蹤轉子兩部分組成，定子一般用硅鋼片或者用高頻鐵氧體材料壓鑄而成，一般有磁芯、高頻激磁輸入繞組和輸出繞組三