【正文】 23 電壓方程 定、轉(zhuǎn)子的電壓方程可以表示為：21 / 40?????????????????????? ?cbaCBAcbaCBArrsscbaCBA piRRu0000式中 、 、 為定子各相的電壓， 、 、 為轉(zhuǎn)子各相繞組的ABC uab電壓， 、 為定、轉(zhuǎn)子各相繞組的電阻，p 代表 d/dt，稱為微分算子。因此，對系統(tǒng)的控制是比較復(fù)雜的，在根據(jù)電機學(xué)原理對其電壓、電流、磁鏈等關(guān)系進行合理分析的基礎(chǔ)上建立合適的電機模型，是對控制方法進行研究的前前提和基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，由于采用磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙位式控制無法分辨磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差，當(dāng)控制系統(tǒng)剛啟動或者改變磁鏈和轉(zhuǎn)矩參考值時會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。近年來 DSP 等高性能控制芯片的快速發(fā)展促使 EKF 在交流電機調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)辨識和磁鏈、轉(zhuǎn)速觀測中獲得廣泛應(yīng)用。為了解決在交流調(diào)速系統(tǒng)中某些狀態(tài)不可直接測量的問題，由系統(tǒng)可測狀態(tài)和參數(shù)重構(gòu)的自適應(yīng)觀測器近年來得到較快發(fā)展。 直接反饋線性化直接反饋線性化采用非線性逆系統(tǒng)理論來設(shè)計控制律，由我國學(xué)者首先提出。普通變頻器]19[只能生成 8 個電壓矢量，離散空間矢量調(diào)制通過 8 個電壓矢量的線性組合產(chǎn)生更多的電壓矢量，根據(jù)多級雙位控制器的輸出來合理選擇電壓矢量以保證較小的轉(zhuǎn)矩脈動。 直接轉(zhuǎn)矩控制 矢量控制在理論上實現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，但復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈的難以準(zhǔn)確定向限制了矢量控制的使用范圍。矢量控制的基本思路是將定子電流分解成勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的獨立控制 （）?rstrmpeiLnT? （）smr1?式中： 為經(jīng)坐標(biāo)變換后在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互Lm感， 為在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感， 為轉(zhuǎn)子總磁鏈，r ?r為定子電流轉(zhuǎn)矩分量， 為定子電流勵磁分量， 為轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)，pist ism T為微分算子。在實際應(yīng)用中，當(dāng)頻率較低時需要對 進行補償以Us避免定子壓降的影響。在采用一定的技術(shù)改進后使得變壓變頻調(diào)速可以具有高動態(tài)性能，從而使得交流調(diào)速系統(tǒng)的性能能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。利用簡化等效電路，并忽略勵磁支路，k則異步電機的啟動電流（相電流）為 ??kst ZUUIXR1239。為了描述轉(zhuǎn)速，引入?yún)?shù)轉(zhuǎn)差率。機座的作用主要是固定和支撐定子鐵芯，具有一定的機械強度。 車用異步電動機概述異步電動機是一種交流電機，也稱感應(yīng)電機，主要作電動機使用。日產(chǎn)公司的FEV 電動汽車使用兩臺感應(yīng)電動機，每臺功功率 20kw，最大轉(zhuǎn)速 15000r/min，最大扭矩 電機又是電氣驅(qū)動系統(tǒng)的核心，必須是高性能、高效率的。在當(dāng)今世界能源與環(huán)境雙重危機下，要求提高汽車的能源使用率，減少污染物的排放已是當(dāng)務(wù)之急。近年來，世界各國，特別是歐、美、日等發(fā)達(dá)工業(yè)國家，紛紛以巨資推動電動汽車的研發(fā)工作，電力公司也相應(yīng)著手研發(fā)應(yīng)用于電動汽車的基礎(chǔ)設(shè)施。通過仿真來親自驗證相關(guān)控制策略的合理性和正確性。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。不保密 □。內(nèi)燃機在汽車上的成功應(yīng)用，使得石油資源大量消耗，帶來溫室效應(yīng)，同時也加劇環(huán)境污染。受石油危機的影響，很多發(fā)達(dá)國家領(lǐng)先進行節(jié)能技術(shù)的開發(fā)，將就業(yè)部的能源消費停留在GNP 的一般水平。中國已成立國家電動汽車協(xié)調(diào)指導(dǎo)小組,以確保已被列為國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程的電動汽車項目取得預(yù)期成果。 在確定電動汽車用電機時，電動汽車用電動機的性能必須充分滿足電動汽車不同的行駛工況要求 ，要有較大的啟動轉(zhuǎn)矩來保證電動汽車有良好的啟動、]3[加速性能；要有較寬的恒功率范圍，保證電動汽車具有在高速公路上行駛的能力，電動機的過載系數(shù)應(yīng)達(dá)到 3~4；在整個運行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高 1 次充電的續(xù)駛里程；可靠性高，以滿足車輛的各種工況；價格合理，能被用戶接受。開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、啟動性能好，沒有大的電流沖擊，效率高，它兼有異步電機變頻調(diào)速和直流電動機調(diào)速的優(yōu)點，在電動汽車驅(qū)動電機競賽中是一匹不可忽視的“黑馬” 。 異步電動機的基本構(gòu)造 定子異步電機的定子由定子鐵芯、定子繞組和基座三部分構(gòu)成。氣隙大小對異步電機的性能影響特別大。如果轉(zhuǎn)子被加速到 n ，此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋s轉(zhuǎn)，它們之間無相對切割，因而導(dǎo)體中無感應(yīng)電動勢，也沒有電流，電磁轉(zhuǎn)矩為零。啟動轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩才可能啟動，啟動轉(zhuǎn)矩越大，加速越快，啟動時間越短。13????????式中： 為極對數(shù)， 為定子電壓， 為電源角頻率， 為根據(jù)異步電機nps Rr39。 基于動態(tài)模型的傳統(tǒng)控制策略 轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制從異步電機的穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)，卻只能在穩(wěn)態(tài)情況下維持氣隙磁通恒定，因此動態(tài)性能不是很理想，要實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)有高動態(tài)性能，必須根據(jù)異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型來控制磁通和電磁轉(zhuǎn)矩。在低速時由于反電動勢較小，對磁鏈估算的準(zhǔn)確性影響會更大。UI 法數(shù)學(xué)模型簡單，但是在低速時由??]12[于反電動勢較小而無法準(zhǔn)確估計定子磁鏈，一般用于中高速的定子磁鏈觀測，用 1 階低通濾波器替換 UI 模型中的純積分環(huán)節(jié)可以改進 UI 模型，同]143[?時引入校正環(huán)節(jié)補償磁鏈觀測的誤差 ，可以獲得更準(zhǔn)確的定子磁鏈觀測值，]156[在得到定子磁鏈后很容易的得到轉(zhuǎn)矩測量值，I 法和 U 法由于引入了更多?的電機參數(shù)，但魯棒性較差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)起來比較困難 。 微分幾何反饋線性化微分幾何反饋線性化方法通過引入微分幾何中李導(dǎo)數(shù)的概念來選擇一個可逆的數(shù)學(xué)變換，經(jīng)過變換后得到在新的參考坐標(biāo)系下的系統(tǒng)方程，再經(jīng)過狀態(tài)反饋可以得到輸入輸出解耦的線性化系統(tǒng)?；ぷ兘Y(jié)構(gòu)控制結(jié)合矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到大量的應(yīng)用。它可以濾除系統(tǒng)噪聲和測量噪聲的影響，基于最小均方誤差對系統(tǒng)狀態(tài)變量進行線性估計，因此比一般的觀測器精度高，魯棒性強。 模糊控制模糊控制理論可以用于設(shè)計參數(shù)辨識器和模糊控制器。17 / 40圖 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)圖4 異步電機的數(shù)學(xué)模型異步電機是根據(jù)電磁感應(yīng)定律制成的，定子通電產(chǎn)生的磁場使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。Lc由于電機氣隙均勻，所以定、轉(zhuǎn)子各相繞組自感為常數(shù)，則滿足的表達(dá)式記作： = = =LABCs1= = =abcr由于氣隙磁場是按照正弦分布的，則定、轉(zhuǎn)子各自的互感為：= = = = = =LABABCLCALm12? = = = = = =acbacb式中 為繞組的勵磁電感。Pnr?? 兩相靜止坐標(biāo)下的電機模型從靜止坐標(biāo)系下的電機模型可以看出電機系統(tǒng)是一個非線性、強耦合、復(fù)雜系統(tǒng)，為了便于控制，需要經(jīng)過坐標(biāo)變換理論將其轉(zhuǎn)化為 坐標(biāo)系下的???異步電機模型進行簡化。 基于轉(zhuǎn)子磁場定向的電機控制系統(tǒng)磁場定向就是規(guī)定坐標(biāo)軸與磁場方向的關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)子的 M 軸與磁場方向重合時，就稱為轉(zhuǎn)子磁場方向。 仿真工具仿真分析是進行系統(tǒng)控制的重要手段，通過對系統(tǒng)實際工作過程及環(huán)境的模擬，得到所制定的控制方法的運行結(jié)果并對結(jié)果進行分析以期改進和優(yōu)化控制算法，獲得較好的控制結(jié)果。電動汽車異步電機的控制系統(tǒng)現(xiàn)在一般采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法和直接轉(zhuǎn)矩控制方法，直接轉(zhuǎn)矩控制方法在汽車低速行駛的時候容易產(chǎn)生波動、高速時噪音大，并且容易產(chǎn)生過流。?rf? 矢量控制系統(tǒng)模塊本模塊主要包括磁通觀測器模塊、控制器模塊、IU 轉(zhuǎn)換器模塊和坐標(biāo)變換模塊幾個子模塊。圖（）中二相/二相變換器實現(xiàn)由 、 到 、 的轉(zhuǎn)換；二相/三相變換器實現(xiàn) 、 到 、 、uMT?? ?u?AB的轉(zhuǎn)換。圖 解耦仿真模塊31 / 40 仿真結(jié)果及分析仿真采用的異步電機模型參數(shù)為：定子電阻 = ；轉(zhuǎn)子電阻 =?Rr；互感 =；定子自感 =；轉(zhuǎn)子自感 =；極對數(shù)?Lm LsLr=2；轉(zhuǎn)動慣量 J= 2kg?圖（） （） （） （） （） （）分別是負(fù)載啟動時異步電機的電壓、電流、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、定子電流響應(yīng)曲線和轉(zhuǎn)子磁鏈的仿真結(jié)果。直觀的仿真結(jié)果使得電機控制系統(tǒng)的設(shè)計更加方便，其使用價值不言而喻。這些都將激勵著我以后的生活和工作。還有就是我要感謝我的同學(xué)們，是他們指導(dǎo)了我軟件的安裝和使用。秒，電機轉(zhuǎn)速達(dá)到第一限定值后穩(wěn)定，在 秒左右，電機突加負(fù)載，電機轉(zhuǎn)矩瞬間下降，為滿足一定的啟動轉(zhuǎn)矩，電機控制系統(tǒng)迅速反應(yīng)，使定子電流增大，電機轉(zhuǎn)速下降，電機轉(zhuǎn)矩又迅速回升。該仿真模塊如圖（）：29 / 40圖 逆變器仿真模塊 考慮時間延遲的解耦在實際系統(tǒng)中，由于逆變器或者在信號處理過程中存在時間的滯后，當(dāng)電壓頻率較高時，將會導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)，嚴(yán)重時會使矢量控制系統(tǒng)失效。iMT ?s有方程： TMmMrdt??iMmTrs1?加入坐標(biāo)變換可得到磁通觀測器模型，如圖（）所示。轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法從 20 世紀(jì) 70 年代初開始發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)能使異步電機得到和直流機一樣的調(diào)速性能。目前應(yīng)用較為廣泛的仿真軟件是由美國 Mathworks 公司開發(fā)的 MATLAB 軟件。在 MT 軸系中，對轉(zhuǎn)子磁場進行定向， ， 。 電壓方程23 / 40????????? ?????? iLRLRu rsrrmmrr msmsrs pppp ???? ??__00 00對于轉(zhuǎn)子為鼠籠式的電機， 。?r由上式自可知靜止坐標(biāo)下的磁鏈?zhǔn)噶糠匠虨椋?Lrmss?????imr式中 ，其中 、 為定、轉(zhuǎn)子電感， 、 為定、轉(zhuǎn)子Lmrs???srs?r漏感， 為電機的等效勵磁電感。所以異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的高階系統(tǒng)。模糊控制在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中的應(yīng)用更普遍，由于直接轉(zhuǎn)矩控制定子磁鏈的檢測與定子電阻相關(guān)，當(dāng)?shù)退贂r定子電阻的變化對定子磁鏈影響較大，采用模糊辨識器可以實現(xiàn)對異步電機定子電阻的估算。EKF）算法。Lin等以電機模型為參考模型，設(shè)計磁通自適應(yīng)觀測器、速度自適應(yīng)觀測器和定子電流觀測器，定子電流觀測器起到了輔助設(shè)計電流自適應(yīng)控制器的作用。微分幾何反饋線性化從純數(shù)學(xué)的角度出發(fā)，通過李導(dǎo)數(shù)來選擇狀態(tài)反饋，轉(zhuǎn)換后的系統(tǒng)變量無力意義不明確，但它在理論上比較容易理解，系統(tǒng)的解耦也容易實現(xiàn)。通過減小雙位式控制器的誤差限或者根據(jù)輸出動態(tài)地改變誤差限，能夠在一定程度上減小轉(zhuǎn)矩脈動 ，但是同時需要較高的電壓矢量切換頻率。以滯后環(huán)節(jié)代替純積分項的改進電壓模型以及電流模型和電壓模型的結(jié)合使用都可以提高磁鏈估算的準(zhǔn)確性。 矢量控制 矢量控制起源于 Blaschke 發(fā)表的關(guān)于感應(yīng)電機磁場定向控制的論文，后]9[來在感應(yīng)電機定子電壓坐標(biāo)變換控制理論的基礎(chǔ)上，經(jīng)過各國學(xué)者的廣泛研究形成了比較成熟的矢量控制理論。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)差頻率不變，因此帶負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降不變，可以通過改變定子電壓頻率來平滑地改變同步轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)調(diào)速。其中僅變壓變頻調(diào)速就可以做到調(diào)速范圍寬、效率高、動態(tài)性能好，因而得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。s9 / 40圖 異步電機工作原理圖3 多種異步電機的驅(qū)動控制策略當(dāng)異步電機通電啟動時，在 t=0 時刻，n=0，s=阻抗 Z ，流過它的穩(wěn)態(tài)電流為啟動電流。 異步電動機的基本工作原理當(dāng)異步電機定子繞組接到三相電源上時，定子