【正文】 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。 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。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。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。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。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。 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。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 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。 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。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。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。 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理以圖 22 和圖 23 所示為例說(shuō)明。 如圖 23（ a）所示，通過(guò)轉(zhuǎn)子位置傳感器感應(yīng)出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，經(jīng)控制邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器的開(kāi)關(guān)器件 V1 和 V6 導(dǎo)通，此時(shí)繞組 AB 通電，而且為 A 進(jìn) 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(shì) Fa 如圖中所示。電角度時(shí)，到達(dá)的位置如圖 23（ b）所示。為使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終受定子合成磁場(chǎng)的牽引并按順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子每當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò) 60176。電角度梯形波分布的。 （ 5）三相繞組的參數(shù)都對(duì)稱(chēng)。以 A 相繞組磁鏈為例，其表達(dá)式為： )(?pmACBABAAA MiMiL ?????? （ ） 將式（ ）帶入式（ ）得 ))(( ?pmCABAAAA iMiLdtdRiu ????? ACACBABAAA eiMiMiLdtdRi ????? )( 則電機(jī)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(jī)學(xué)的知識(shí)可知： ????? eCCBBAAe TieieieP （ ） 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ? CCBBAACCBBAAeieieiepieieieT ??????? （ ） 其中 Pe —— 電磁功率； Te —— 電磁轉(zhuǎn)矩； ? —— 電氣角速度； ? —— 機(jī)械角速度； P—— 電機(jī)極對(duì)數(shù)。 m）。 坐標(biāo)變換的原則 由機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的基本原理可知，電動(dòng)機(jī)內(nèi)氣隙磁場(chǎng)是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的媒介，由定子側(cè)輸入的能量正是通過(guò)氣隙磁場(chǎng)傳遞到轉(zhuǎn)子的。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在 q 軸分量為零，在磁場(chǎng)恒定且 d軸電流分量為 0的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩與 q 軸電流分量成正比，此時(shí)感 應(yīng)電機(jī)的機(jī)械特性與他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性完全一樣，實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的解耦控制?？傊噶孔鴺?biāo)變化實(shí)現(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(yīng)以及電樞反應(yīng)，電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)與勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)是相互正交的，于是可以簡(jiǎn)單地說(shuō)磁通 ? 和電樞電流i是正交的。圖 (b)描繪的是 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 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(gè)繞組就都等效了。這就說(shuō)明了通過(guò)一定的數(shù)學(xué)變換能夠把無(wú)刷直流電機(jī)模型變換成普通直流電機(jī)模型，所以需要解決的問(wèn)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(biāo)變換的任務(wù)。 兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換 兩相 αβ靜止坐標(biāo)系向兩相 dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換，我們稱(chēng)作 2s/2r 變換， s 表示靜止， r 表示旋轉(zhuǎn)，為了方便分析，兩個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合在一起，合成矢量重合在 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 一起，得到了圖 。 ?i 、 ?i 和 di 、 qi 之間存在如下關(guān)系： ?? ?? s inc o s iiid ?? （ ） ??? s inc o s aq iii ?? （ ） 寫(xiě)成矩陣形式，得： ???????????? ??????????????iiiiqdc o ss i ns i nc o s （ ） 反之，對(duì)上式兩邊都乘以變換矩陣的逆矩陣，即得從兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩 相靜止坐標(biāo)系的變換關(guān)系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ???????????? ????????qdiiii??????c o ss i ns i nc o s （ ） 電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換與電流的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的前提下，將無(wú)刷直流電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系上的三相電流 iA、 iB、 iC 經(jīng)過(guò) 3/2 變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流 iα、 iβ，再經(jīng)過(guò) 2s/2r 變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的 id、 iq。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（也可以說(shuō)是磁動(dòng)勢(shì)）的空間矢量，所以通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的 控制系統(tǒng)就叫做矢量控制系統(tǒng)（ Vector Control System），簡(jiǎn)稱(chēng) VC 系統(tǒng)。 矢量控制的最終目標(biāo)是為了優(yōu)化轉(zhuǎn)矩控制的性能。無(wú)刷直流電機(jī)三相交流電通過(guò) 3/2 變換、2s/2r 變換得到兩個(gè)相互垂直、彼此獨(dú)立的矢量 id（勵(lì)磁電流分量）和 iq（轉(zhuǎn)矩電流分量），因此控制 id 和 iq 即可控制電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)矩，通過(guò)控制它們來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。而 id=0，時(shí)，定子電流分量就只有交軸分量 iq 了，而沒(méi)有 d 軸分量了。當(dāng)定子電流從零開(kāi)始增大時(shí)，輸出電磁轉(zhuǎn)矩逐漸增大，當(dāng)?shù)搅藰O大點(diǎn)之后，定子電流增大，電磁轉(zhuǎn)矩不會(huì)再增大而是慢慢減小。 （ 4）最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制 這種控制方法指的是電動(dòng)機(jī)輸出給定轉(zhuǎn)矩的前提下，使用最小的定子電流。 (5） 弱磁控制 在轉(zhuǎn)子看來(lái)永磁同步電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)被定子電樞反應(yīng)磁場(chǎng)消弱的同時(shí)，定子電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的空間轉(zhuǎn)速相對(duì)于電樞繞組在不斷提高。弱磁控制過(guò)程中消弱轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)的程度由直軸去磁磁鏈大小表示?？蓪?shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)中 d、q 軸的解耦。 =0 控制理論 由式子（ ）我們可以描述無(wú)刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為： ? ??? CCBBAAe ieieieT 在一定轉(zhuǎn)速下，三相反電動(dòng)勢(shì)的傅里葉級(jí)數(shù)形式如下式子（ ）所示： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 頁(yè) 第 頁(yè) ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 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?yàn)闊o(wú)刷直流電機(jī)的定子采用的是 Y 型接法，并且沒(méi)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(kāi)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