【正文】 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（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的應(yīng)用。永磁無刷直流電動機(jī)的優(yōu)點是效率高，起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，高速操作性能好，無電刷，結(jié)構(gòu)簡單牢固，免維護(hù)或少維護(hù)，體積小質(zhì)量輕，但會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，電流損耗大，工作噪聲大。 永磁無刷直流電機(jī)采用永磁轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過專門的磁路設(shè)計，使電機(jī)可以獲得梯形波的氣隙磁場。 50年來，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。 1964 年，它被美國航空航天局應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)控制、太陽能電池板的跟蹤控制等領(lǐng)域。 永磁無刷直流電 機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、效率高、體積小、重量輕等優(yōu) 點被廣泛應(yīng)用于車用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中。因此，電動汽車的研制對我國具有特別重要的意義。 電動汽車具有清潔無污染、能量來源多樣化、能量效率高的特點：同時電動汽 車在改善交通安全以及道路使用等問題上，又便于實現(xiàn)智能化的管理。另一方面，城市交通擁堵問題己成為阻礙我國許多城市發(fā)展的重要問題。燃油汽車使用的燃料來自于石油，而石油足有限的不可再生資源，作為全世界重要 的化工資源的石油被世界各國在汽車上大量地消耗，據(jù)近 年的有關(guān)石油的國際會議估計，全世界探明的石油儲量在未來 50 年內(nèi)即可用完。 ，首先分析 電動汽車用永磁無刷直流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ，最后將 電動汽車用永磁無刷直流電機(jī)矢量控制系統(tǒng) 用Matlab/Simulink 仿真 。無刷直流電機(jī)用電子換向裝置取代了普通直流電動機(jī)的機(jī)械換向裝置，消除了普通直流電機(jī)在換向過程中存在的換向火花，電刷磨損，維護(hù)量大，電磁干擾等問題，成為了電動車驅(qū)動電機(jī)的主流選擇。電動車作為國家“十二五規(guī)劃”重點發(fā)展的節(jié)能環(huán)保項目，獲得了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。 本文主要研究 內(nèi)容 如下 ： ，首先 對永磁無刷直流電機(jī)本體及數(shù)學(xué)模型分析 ，接著 對矢量控制坐標(biāo)變換和空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的原理和實現(xiàn)進(jìn)行分析 。日前， 全世界擁有各類汽車約 5億輛，年消耗燃油約 7億噸，排放的有害物質(zhì)超過 2億噸，約占空氣污染總量的 61％。機(jī)動車尾氣排放污染物對空氣的影響越來越嚴(yán)重，給區(qū)域和城市的環(huán)境帶來巨大的壓力。而隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化步伐的加快，老百姓對交通工具的需求也與日劇增。電動汽車的研制也有利于促 進(jìn)高科技的發(fā)展、新興丁業(yè)的興起以及經(jīng)濟(jì)的發(fā) 展。項目提出的目標(biāo)是：要提高我國電動汽車及相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新能力，培育一支具有汽車產(chǎn)品自主開發(fā)能力的隊伍，并充分利用社會各方面的科技資源，在國際競爭中搶占新一代汽車技術(shù)制高點，促進(jìn)我國汽車工業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。 永磁無刷直流電機(jī)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(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷電動機(jī)的誕生。由于電機(jī)的永磁體、電機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)尤其是功率開關(guān)器件的技術(shù)進(jìn)步，永磁無刷直流電機(jī)的發(fā)展日新月異。隨著改革開放以來工業(yè)生產(chǎn)及民用設(shè)備對無刷直流電機(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。永磁無刷直流電動機(jī)在工作時，直接將方波電流輸入永磁無刷直流電動機(jī)的定子中，控制永磁無刷直流電動機(jī)運轉(zhuǎn)?；谶@些要求，國內(nèi)、外相關(guān)科研單位及企業(yè)對應(yīng)用于電動車領(lǐng)域的永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制技術(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)。在這些理論研究基礎(chǔ)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(jī)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(yīng)用的矢量控制系統(tǒng)。矢量控制基本思想是在普通交流電動機(jī)上設(shè)法模擬直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方式，通過電動機(jī)外部的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對電樞磁動勢和勵磁磁場進(jìn)行空間定向控制，即控制兩者的空間電角度。由于定子側(cè)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(zhuǎn)速同步旋轉(zhuǎn)，直接對其控制、調(diào)節(jié)和計算都很不方便，因此，要 借助坐標(biāo)變換將定子側(cè)的各個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。 進(jìn)入 21 世紀(jì)，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。該理論出發(fā)點是異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要由電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率來決定。 論文研究內(nèi)容及章節(jié)安排 本 文 主 要 以電 動 車用 無 刷 直流 電 機(jī)矢 量 控 制技 術(shù) 實現(xiàn) 展 開 研究 ， 用Matlab/Simulink 實現(xiàn)模擬仿真。 第三章為矢量控制坐標(biāo)變換，主要對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。其框圖如圖： 圖 無刷直流電機(jī)的構(gòu)成框圖 電動機(jī)主體 直流無刷電機(jī)的電機(jī)本體的主要特點是采用永磁轉(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)電動機(jī)的相似，都是采用三相或二相繞組；直流無刷電機(jī)的電機(jī)本體通常采用整距疊繞組制作定子繞組，針對極對數(shù)較多的情況，采用分 數(shù)槽繞組方式。功率邏輯開關(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)系分配給無刷直流電機(jī)定子上的各相繞組，從而使電動機(jī)產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩。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 安置于外磁場中，在通電的情況下即可產(chǎn)生霍爾效應(yīng)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。 這種位置傳感器具有抗干擾能力強、輕巧便于安裝、調(diào)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。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)圖 圖 無刷直流電機(jī)工作原理示意圖 圖 22 中 BLDCM 表示三相兩極無刷直流電機(jī)本體， PS 為轉(zhuǎn)子位置傳感器，其 與電機(jī)轉(zhuǎn)軸一同旋轉(zhuǎn)，主電路采用三相逆變橋供電，由 V1V6 六個功率開關(guān)器件與 A、 B、 C 三相繞組連接。定子磁勢 Fa 與 轉(zhuǎn)子磁勢 Ff 的相互作用，拖動轉(zhuǎn)子以順時針方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子位置的不同導(dǎo)致驅(qū)動的開關(guān)器件也不同，此時導(dǎo)通的開關(guān)器件為 V1 和 V2，與 V1 和 V2 連接的 AC 兩相繞組通電， A 進(jìn) C 出，電樞繞組合成的氣隙磁勢 Fa 如圖中所示。電角度時，逆變器 中 的 開 關(guān) 器 件 要 輪 換 導(dǎo) 通 ， 其 導(dǎo) 通 的 邏 輯 為 V2V3 → V3V4→ V4V5→ V5V6→ V1V6→ V1V2??，依次循環(huán)。 （ 2）假定磁路不飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗。 則根據(jù)無刷直流電機(jī)的特性，可得到如下電壓、轉(zhuǎn)矩和運動狀態(tài)方程。由假設(shè)可以得到 cbacba LLLRRR ???? 。 無刷直流電機(jī)的逆變模塊采用兩兩導(dǎo)通的工作方式，任意時刻只有兩相繞組導(dǎo)通存在電流，其余繞組關(guān)斷，電流為零。 一般在實際工程應(yīng)用中，通常采用轉(zhuǎn)速 n 代替機(jī)械角速度Ω來表示轉(zhuǎn)子速度，用飛輪慣量 2GD 代替轉(zhuǎn)動慣量 J 表示機(jī)械慣性，換算方法式子（ ）和（ ）所示： 602 n??? （ ） gGDmpJ 4 22 ?? （ ） 其中 m 是電機(jī)轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量（ Kg）， G 為轉(zhuǎn)動部分的重力（ N），ρ為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量半 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 徑（ m）， D 為轉(zhuǎn)動慣性半徑（ m）， g 為重力加速度（ ）。在進(jìn)行坐標(biāo)變換時，只要能使變換前后產(chǎn)生的氣隙基波合成磁動勢不變（幅值和空間相位相同），兩者就是等效的。由于 d 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈軸線重合，因此也可稱之為轉(zhuǎn)子磁場定向控制。 調(diào)速的關(guān)鍵問題是轉(zhuǎn)矩控制，直流電動機(jī)調(diào) 速性能好的根本原因就在于其轉(zhuǎn)矩易于控制。 在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，轉(zhuǎn)矩控制復(fù)雜性得到了根本解決。產(chǎn)生的合成旋轉(zhuǎn)磁動勢為 F，當(dāng)圖 (a)和圖 (b)中的兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢以相同的角速度和大小旋轉(zhuǎn)時，可以看成圖中 (a)、 (b)兩個繞組等效。如果我們站在鐵芯上和繞組一起旋轉(zhuǎn)，按照相對運動的原理， d 和 q是兩個通入直流而相互垂直的靜止繞組。 （ a) (b) (c) 圖 等效電機(jī)模型 （ a)三相交流繞組（ b)兩相靜止交流繞組（ c)旋轉(zhuǎn)直流繞組 三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間變換 三相靜止 ABC 坐標(biāo)系向兩相靜止αβ坐標(biāo)系變換，稱之為 3/2 變換。 圖 兩相靜止 ɑβ 坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系 圖中兩相交流電流 ?i 、 ?i 和直流電流 di ， qi 他們產(chǎn)生一致的合成磁動勢 Fs，由于兩種坐標(biāo)系中各相繞組匝數(shù)都相等，所以可以在計算式中不計磁動勢中的匝數(shù)，直接用電流表示，例如可以直接用 i s 替代 Fs。 dq 坐標(biāo)系產(chǎn)生的氣隙磁動勢同 ɑβ坐標(biāo)系一樣，也正是 ABC 坐標(biāo)系中三相繞組產(chǎn)生的氣隙旋轉(zhuǎn)磁動勢。通過一定的控制，可以使得交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通等效于直流電動機(jī)的勵磁磁通，所以兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的 d繞組就等價于直流電動機(jī)的勵磁繞組 ,id 等價于勵磁電流，兩相旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系中的 q 繞組相當(dāng)于靜止的電樞繞組， iq相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。 由上述的分析，我們可以看出，矢量控制的基本想法是在普通交流電動機(jī)上模擬出直流電動機(jī)的控制方式。從式子（ ）可以看出來，對 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 轉(zhuǎn)矩的控制實際上就是對三相電流的控制。 無刷直流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)控制策略 矢量控制常用策略 無刷直流電機(jī)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 M、 T 軸也分別稱為 d、 q 軸，對應(yīng)的電流也稱為 id、iq。所以只要能夠確定轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確的空間位置，將三相定子電流合成矢量控制在 q 軸上，就能夠使控制無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩了，因為此時它只和 q 軸分量成正比。但無刷直流電機(jī)無法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁，所以當(dāng)電機(jī)負(fù)載變化時，電樞繞組的總磁鏈不能確定，轉(zhuǎn)矩和電樞電流不是線性關(guān)系，所以控制方式變得很復(fù)雜，難以實現(xiàn)，應(yīng)用空間很有限。這種控制策略的核心思想在于調(diào)節(jié) d、 q 軸電流達(dá)到最佳組合，使電機(jī)在給定轉(zhuǎn)矩下定子電流幅度最小。當(dāng)電壓達(dá)到極限時，為 了使電機(jī)能以更高的轉(zhuǎn)速運行，必須維持電機(jī)內(nèi)部反電動勢等于額定狀態(tài)時的大小。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定時，存在一個直軸磁鏈，使得 輸出電磁功率最大，也即直軸磁鏈等于 O 或者直軸磁鏈為正的最小值，對應(yīng)的電磁功率最大。此時，電機(jī)定子電流綜合矢量與轉(zhuǎn)子直軸間的夾角為 9017