【正文】 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。 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。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。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。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。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。 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。 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。 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。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。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。 無刷直流電機工作原理 無刷直流電機的工作原理以圖 22 和圖 23 所示為例說明。 如圖 23（ a）所示，通過轉子位置傳感器感應出轉子的位置信號，經(jīng)控制邏輯變換后驅動逆變器的開關器件 V1 和 V6 導通，此時繞組 AB 通電，而且為 A 進 B 出， 經(jīng)右手螺旋定則可判定電樞繞組在空間的合成磁勢 Fa 如圖中所示。電角度時，到達的位置如圖 23（ b）所示。為使轉子磁場始終受定子合成磁場的牽引并按順時針方向連續(xù)旋轉，轉子每當轉過 60176。電角度梯形波分布的。 （ 5）三相繞組的參數(shù)都對稱。以 A 相繞組磁鏈為例，其表達式為： )(?pmACBABAAA MiMiL ?????? （ ） 將式（ ）帶入式（ ）得 ))(( ?pmCABAAAA iMiLdtdRiu ????? ACACBABAAA eiMiMiLdtdRi ????? )( 則電機的電壓方程為： ???????????????????????????????????????????????????????????????cbacbaccbcabcbbaacabacbacbacbaeeeiiipLMMMLMMMLiiiRRRuuu000000 （ ） 式中 M 表示兩相繞組之間的互感（ x、 y 代表 A、 B、 C）， p 為微分算子 dtdp? 。由電機學的知識可知： ????? eCCBBAAe TieieieP （ ） 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ? CCBBAACCBBAAeieieiepieieieT ??????? （ ） 其中 Pe —— 電磁功率； Te —— 電磁轉矩； ? —— 電氣角速度； ? —— 機械角速度； P—— 電機極對數(shù)。 m）。 坐標變換的原則 由機電能量轉換的基本原理可知，電動機內氣隙磁場是進行能量轉換的媒介，由定子側輸入的能量正是通過氣隙磁場傳遞到轉子的。轉子磁場在 q 軸分量為零，在磁場恒定且 d軸電流分量為 0的情況下，電磁轉矩與 q 軸電流分量成正比，此時感 應電機的機械特性與他勵直流電機的機械特性完全一樣，實現(xiàn)了磁場和轉矩的解耦控制?？傊噶孔鴺俗兓瘜崿F(xiàn)了交流矢量和直流矢量之間的等效變換。如果忽略了磁飽和效應以及電樞反應，電樞繞組產(chǎn)生的磁場與勵磁繞組產(chǎn)生的磁場是相互正交的，于是可以簡單地說磁通 ? 和電樞電流i是正交的。圖 (b)描繪的是 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 兩相靜止繞組α、β，它們空間角度相差 90176。那么圖 (c)和 (a)、 (b)兩個繞組就都等效了。這就說明了通過一定的數(shù)學變換能夠把無刷直流電機模型變換成普通直流電機模型，所以需要解決的問題就變成了如何求出 ia、 ib、ic 和 以及 id 與 iq之間的等效變換矩陣，而這就是坐標變換的任務。 兩相靜止坐標系和兩相旋轉坐標系間的相互轉換 兩相 αβ靜止坐標系向兩相 dq 旋轉坐標系變換，我們稱作 2s/2r 變換， s 表示靜止， r 表示旋轉，為了方便分析，兩個坐標系的原點重合在一起，合成矢量重合在 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 一起，得到了圖 。 ?i 、 ?i 和 di 、 qi 之間存在如下關系： ?? ?? s inc o s iiid ?? （ ） ??? s inc o s aq iii ?? （ ） 寫成矩陣形式，得： ???????????? ??????????????iiiiqdc o ss i ns i nc o s （ ） 反之，對上式兩邊都乘以變換矩陣的逆矩陣，即得從兩相旋轉坐標系到兩 相靜止坐標系的變換關系 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ???????????? ????????qdiiii??????c o ss i ns i nc o s （ ） 電壓和磁鏈的旋轉變換與電流的旋轉變換相同。 矢量控制的基本思路 正如前文所述的，在產(chǎn)生一樣的旋轉磁動勢的前提下，將無刷直流電機在三相靜止坐標系上的三相電流 iA、 iB、 iC 經(jīng)過 3/2 變換可以等效成兩相靜止坐標系上的交流電流 iα、 iβ，再經(jīng)過 2s/2r 變換得到兩相旋轉坐標系上的 id、 iq。由于進行坐標變換的是電流（也可以說是磁動勢）的空間矢量，所以通過坐標變換實現(xiàn)的 控制系統(tǒng)就叫做矢量控制系統(tǒng)（ Vector Control System），簡稱 VC 系統(tǒng)。 矢量控制的最終目標是為了優(yōu)化轉矩控制的性能。無刷直流電機三相交流電通過 3/2 變換、2s/2r 變換得到兩個相互垂直、彼此獨立的矢量 id（勵磁電流分量）和 iq（轉矩電流分量），因此控制 id 和 iq 即可控制電動機的 轉矩，通過控制它們來實現(xiàn)對電動機轉矩和轉速的控制。而 id=0，時，定子電流分量就只有交軸分量 iq 了，而沒有 d 軸分量了。當定子電流從零開始增大時，輸出電磁轉矩逐漸增大，當?shù)搅藰O大點之后，定子電流增大，電磁轉矩不會再增大而是慢慢減小。 （ 4）最大轉矩 /電流控制 這種控制方法指的是電動機輸出給定轉矩的前提下，使用最小的定子電流。 (5） 弱磁控制 在轉子看來永磁同步電機勵磁磁場被定子電樞反應磁場消弱的同時，定子電樞反應磁場的空間轉速相對于電樞繞組在不斷提高。弱磁控制過程中消弱轉子永磁磁場的程度由直軸去磁磁鏈大小表示?？蓪崿F(xiàn)與轉子同步旋轉參考坐標中 d、q 軸的解耦。 =0 控制理論 由式子（ ）我們可以描述無刷直流電機電磁轉矩為： ? ??? CCBBAAe ieieieT 在一定轉速下，三相反電動勢的傅里葉級數(shù)形式如下式子（ ）所示： 畢業(yè)設計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ )34(5s i n)34(3s i n)34s i n ()()32(5s i n)32(3s i n)32s i n ()(...53s i ns i n)(531531531???????????????????????????????tEtEtEtetEtEtEtetEtEtEtemmmCmmmBmmmA （ ） 式子中的ω為基波電角頻率，因為無刷直流電機的定子采用的是 Y 型接法，并且沒有連接中線，所以定子三相電流中不包括三次和三的倍數(shù)次諧波，所以三相電流可以展開得到式子（ ），如下所示： )34(5s i n)34(3s i n)34s i n ()()32(5s i n)32(3s i n)32s i n ()(...53s i n