【正文】 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 接影響著整車(chē)的安全性、舒適性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。因此研究更加可靠舒適、環(huán) 境友好、經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)車(chē)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)勢(shì)在必行。 永磁無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展與現(xiàn)狀 1955 年美國(guó) D． H枷 son 等人首次申請(qǐng)了用晶體管換相電路代替機(jī)械電刷的專(zhuān)利，標(biāo)志著現(xiàn)代無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的誕生。 1964 年，它被美國(guó)航空航天局應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)控制、太陽(yáng)能電池板的跟蹤控制等領(lǐng)域。 1978 年，當(dāng)時(shí)的 M秈 esmaIlIl 公 司 MAC 經(jīng)典無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)世，電子換相式無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。一直以來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體進(jìn)行了深入的研究，先后成功研制方波直流永磁無(wú)刷電機(jī)和正弦波直流永磁無(wú)刷電機(jī) (被稱(chēng)為新一代的永磁同步電機(jī) )。由于電機(jī)的永磁體、電機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)尤其是功率開(kāi)關(guān)器件的技術(shù)進(jìn)步，永磁無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展日新月異。 50年來(lái)，它被逐步推廣到軍工裝備、工業(yè)、民用控制等領(lǐng)域，現(xiàn)已成為最具發(fā)展前途的電機(jī)產(chǎn)品。近三十年，特別是改革開(kāi)放以后，由于出口和內(nèi)需的拉動(dòng)，以及外資企業(yè)的進(jìn)入和國(guó)內(nèi)企業(yè)的高速發(fā)展 ，我國(guó)對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)的研究也緊跟時(shí)代的腳步。自從上個(gè)世紀(jì) 80 年代初開(kāi)始，國(guó)家科研院所、企業(yè)研發(fā)部門(mén)及部分高校的科研工作者就開(kāi)始對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。隨著改革開(kāi)放以來(lái)工業(yè)生產(chǎn)及民用設(shè)備對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)需求逐漸增加，其控制技術(shù)也得到了快速發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)成型。 永磁無(wú)刷直流電機(jī)采用永磁轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的磁路設(shè)計(jì)，使電機(jī)可以獲得梯形波的氣隙磁場(chǎng)。電機(jī)不采用機(jī)械式換向器和電刷，而是采用由固態(tài)逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器組成的電子換向器。位置傳感器用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)予在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置，并將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，保證各相繞組的正確換流。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，直接將方波電流輸入永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子中，控制永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是效率高，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，高速操作性能好，無(wú)電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，免維護(hù)或少維護(hù)，體積小質(zhì)量輕，但會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，電流損耗大，工作噪聲大。 電動(dòng)車(chē)的大量使用極大帶動(dòng)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展，同時(shí)，也對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)提出了更高的要求。對(duì)比一般工業(yè)及民用家電用永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制技術(shù)，電動(dòng)車(chē)用永磁無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 控制技術(shù)難度更大，對(duì)運(yùn)行安全性、駕駛舒適性、運(yùn)行效率要求都更高?；谶@些要求，國(guó)內(nèi)、外相關(guān)科研單位及企業(yè)對(duì)應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域的永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，在傳統(tǒng)方波控制技術(shù)中加入改進(jìn)的 PI調(diào)節(jié)控制、模糊控制及滑模變結(jié)構(gòu)控制等先進(jìn)技術(shù)。 矢量控制策略概述 矢量控制理論以及基于磁場(chǎng)定向控制技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)界得到廣泛 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的應(yīng)用。對(duì)電機(jī)的控制其實(shí)就是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，無(wú)刷直流電機(jī)磁場(chǎng)定向控制通過(guò)對(duì)交直軸電流分別控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的間接控制。 20 世紀(jì) 30 年代以來(lái)，交流電機(jī)理 論在同步電機(jī)雙反應(yīng)原理、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換等理論基礎(chǔ)上逐步形成了交流電機(jī)的 Park 方程，而后又由布朗進(jìn)一步建立了電機(jī)的同一理論，從理論上證明了交流電機(jī)與直流電機(jī)的同一性。在這些理論研究基礎(chǔ)之上， 1971 年德國(guó)西門(mén)子公司 F． Blaschke 等與美國(guó) P． C． Custman 等幾乎同時(shí)提出了交流電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的原理，經(jīng)過(guò)不斷的研究與實(shí)踐，形成了現(xiàn)在獲得廣泛應(yīng)用的矢量控制系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)是通過(guò)坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)在按照磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電機(jī)，從而模仿直流電機(jī)進(jìn)行控制，使交流電機(jī)的調(diào)速性能達(dá)到或 超過(guò)直流電機(jī)的性能。 1972 年德國(guó)西門(mén)子公司的 Bayer 繼 F． Blaschke 的異步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制原理發(fā)表之后，提出了同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制原理。矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是有良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，精確的速度控制，零速時(shí)可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載。矢量控制基本思想是在普通交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方式，通過(guò)電動(dòng)機(jī)外部的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁磁場(chǎng)進(jìn)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(dòng)機(jī)同樣的調(diào)速性能。矢量控制是以永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為 基礎(chǔ)，將原來(lái)數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)一系列矢量變換 (3S/2S 變換、 2S/2R 變換 )，變換到與同步坐標(biāo)系統(tǒng)等效的正交兩相坐標(biāo)系中，通過(guò)對(duì)相關(guān)矢量 (電流、磁鏈 )在該坐標(biāo)系統(tǒng)中各分量的獨(dú)立控制，得出此時(shí)的控制指令值，再經(jīng)逆變換計(jì)算得到系統(tǒng)控制量 (電流、電壓 ) 在三相坐標(biāo)系中的大小，實(shí)現(xiàn)快速高效的調(diào)速控制。 矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，其最終實(shí)施則落到對(duì)定子三相電流的控制上。由于定子側(cè)的各個(gè)物理量（電流、電壓、磁動(dòng)勢(shì)、電動(dòng)勢(shì)等）都是交流量，其空間矢量以相同轉(zhuǎn)速同步旋轉(zhuǎn)，直接對(duì)其控制、調(diào)節(jié)和計(jì)算都很不方便，因此，要 借助坐標(biāo)變換將定子側(cè)的各個(gè)物理量從三相靜止坐標(biāo)系變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系看，電機(jī)各空間矢量就變成了直流矢量，繼而根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的形式，找到被控矢量（電壓或者電流）各個(gè)分量和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，就可以實(shí)時(shí)地計(jì)算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個(gè)分量值?？刂葡到y(tǒng)按照這些分量值進(jìn)行實(shí)時(shí)地控制，就能使交流電動(dòng)機(jī)得到像直流電動(dòng)機(jī)一樣的控制性能。但由于這些分量值是在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的，而不是實(shí)際存在的物理量因此，還須要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)逆變換，將其從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到三相靜止坐標(biāo)系中，變換成系統(tǒng)可以實(shí) 際操作的數(shù)據(jù)（電壓矢量或電流矢量），在三相靜止坐標(biāo)系上對(duì)交流量進(jìn)行控制，使其實(shí)際值等于給定值。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，對(duì)矢量控制理論的研究仍在繼續(xù)，德日美三國(guó)走在世界前列。日本在研究無(wú)速度傳感器方面較為先進(jìn)，主要體現(xiàn)在結(jié)合了通用變頻器的應(yīng)用方面；美國(guó)則是對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的識(shí)別進(jìn)行了深入地研究，并且將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等一些智能控制技術(shù)應(yīng)用其中；而德國(guó)則致力于大功率系統(tǒng)中矢量控制方法的應(yīng)用，西門(mén)子 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 公司已經(jīng)開(kāi)始在交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)等兆瓦級(jí)功率場(chǎng)合應(yīng)用矢量控制技術(shù)。無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制 理論在電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)中矢量控制方法的成功應(yīng)用，將矢量控制推向新的高度。日本學(xué)者 Yamamura， Nabae 等人借鑒了矢量控制的思想和方法，應(yīng)用穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)差頻率得出轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置的方法，提出了轉(zhuǎn)差量控制方法。該理論出發(fā)點(diǎn)是異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要由電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率來(lái)決定。它以定子電流和頻率為控制量，保持電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大小不變，而改變磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)控制。 根據(jù)控制目標(biāo)的不同，定子直交軸電流的具體控制方法可分為如下幾類(lèi)： id = 0 控制、最大轉(zhuǎn)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(duì)象，采用不同的電流控制模式，但在本質(zhì)上存在著共同點(diǎn)：通過(guò)電流環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的間接控制。 論文研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排 本 文 主 要 以電 動(dòng) 車(chē)用 無(wú) 刷 直流 電 機(jī)矢 量 控 制技 術(shù) 實(shí)現(xiàn) 展 開(kāi) 研究 ， 用Matlab/Simulink 實(shí)現(xiàn)模擬仿真。主要內(nèi)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(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，對(duì)矢量控制進(jìn)行了簡(jiǎn)介。 第二章為無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理與數(shù)學(xué)模型，介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理，并且推導(dǎo)了無(wú)刷直流電機(jī)的 電壓、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程。 第三章為矢量控制坐標(biāo)變換，主要對(duì)矢量控制理論及其數(shù)學(xué)推導(dǎo)、坐標(biāo)變換進(jìn)行了分析和研究。 第四章、第五章為無(wú)刷直流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)及仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)前幾章對(duì)理論的研究，結(jié)合推導(dǎo)的數(shù)學(xué)方程，建立 MATLAB/SIMULINK 仿真模型，得出仿真結(jié)果，根據(jù)結(jié)果驗(yàn)證控制理論并對(duì)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明分析。 第六章為全文的總結(jié)與展望。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第二章 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理以及數(shù)學(xué)模型 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu) 無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體，控制器和轉(zhuǎn)子傳感器組成， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。其框圖如圖： 圖 無(wú)刷直流電機(jī)的構(gòu)成框圖 電動(dòng)機(jī)主體 直流無(wú)刷電機(jī)的電機(jī)本體的主要特點(diǎn)是采用永磁轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁鋼由稀土永磁材料構(gòu)成，具有較強(qiáng)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(dǎo)率接近空氣，對(duì)電機(jī)直、交軸磁阻均較大，可以減小電樞反應(yīng)；而定子結(jié)構(gòu)則于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的相似，都是采用三相或二相繞組；直流無(wú)刷電機(jī)的電機(jī)本體通常采用整距疊繞組制作定子繞組，針對(duì)極對(duì)數(shù)較多的情況，采用分 數(shù)槽繞組方式。單一繞組的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較大，但是用戶(hù)一般對(duì)無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求較高，通常為了獲得較為平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩而采用多相繞組結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子由永久性磁材按一定偶數(shù)對(duì)的極對(duì)數(shù)組成，其結(jié)構(gòu)有很多種，常用的有永磁環(huán)直接套在轉(zhuǎn)軸上、在導(dǎo)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(kāi)關(guān)電源和位置傳感器信號(hào)處理單元組成，將檢測(cè)到的位置信號(hào)進(jìn)行處理，按照一定的邏輯順序去觸發(fā)功率開(kāi)關(guān)器件，使電動(dòng)機(jī)本體產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。功率邏輯開(kāi)關(guān)模塊是電機(jī)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(guān)系分配給無(wú)刷直流電機(jī)定子上的各相繞組，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩。速度和電流信號(hào)采集、處理模塊所輸出的信號(hào)決定各相繞組導(dǎo)通的順序和通斷時(shí)間。 位置傳感器 轉(zhuǎn)子位置傳感器主要是通過(guò)檢測(cè)實(shí)際的轉(zhuǎn)子磁極位置為控制器提供正確的換向 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線(xiàn) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 信息。轉(zhuǎn)子位置傳感器主要是通過(guò)檢測(cè)實(shí)際的轉(zhuǎn)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(yīng)制成的一種半導(dǎo)體器件，該傳感器 安置于外磁場(chǎng)中，在通電的情況下即可產(chǎn)生霍爾效應(yīng)輸出霍爾電勢(shì)信號(hào)；如果沒(méi)有外部磁場(chǎng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性較高、價(jià)格相對(duì)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(yīng) 用于對(duì)性能要求不高和環(huán)境適宜的場(chǎng)合。 (2)光電式位置傳感器 光電式位置傳感器由光電耦合開(kāi)關(guān)和遮光板組成，其中，光電耦合開(kāi)關(guān)沿圓周均勻分布，并且固定在定子上。每只光電耦合開(kāi)關(guān)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(duì)稱(chēng)：在兩者之問(wèn)安裝了 帶有窗口的遮光盤(pán)，這 種盤(pán)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(qiáng)、輕巧便于安裝、調(diào)整更換較為方便等優(yōu) 點(diǎn)，其缺點(diǎn)為對(duì)環(huán)境要求高、輸出信號(hào)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(zhuǎn)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