【正文】 氣隙磁通乘積成正比，因此必須維持電機反電動勢與轉(zhuǎn)速和氣隙磁通乘積不變，也就是使氣隙磁通隨轉(zhuǎn)速增大而減小，即所謂的弱磁控制。 （ 3）恒磁鏈控制 恒磁鏈控制的原理是控制電動機 id、 iq，讓電動機定子繞組產(chǎn)生磁通保持恒定，并且使它產(chǎn)生的磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈相等。目前無刷直流電動機矢量控制的方法主要有以下幾種： （ 1） id = 0 控制 id=0 控制也稱作（轉(zhuǎn)子）磁場定向控制，在這種控制策略中，將三相電流進行坐標變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系上面的電流 id 和 iq，實現(xiàn)了 d、 q 軸電流的解耦。通過電動機外部的控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)電樞磁場和勵磁磁場進行定向控制，也就是控制磁場間的空間電角度，進一步說，想要獲得和普通直流電動機一樣的調(diào)速特性，那么只要電樞電流矢量能夠按照我們的意愿變化就可以了。但與 ɑβ 坐標系相比， dq 坐標系旋轉(zhuǎn)磁動勢的方法不同：它是在同步旋轉(zhuǎn)的 d,q 繞組中通入兩直流量 id,iq，合成磁動勢 F1相對 dq 坐標系是靜止的，依靠 dq坐標系本身的同步旋轉(zhuǎn)，使 F1成為同步旋轉(zhuǎn)的圓 形磁動勢。圖 繪了三相 ABC 和兩相αβ坐標系，為了方便分析，取 A 軸和α軸方向一致并且相互重合假設(shè)三相 繞組每相的匝數(shù) N3，兩相繞組每相有效匝數(shù) N2，每相的磁動勢等于各自相電流乘以對應(yīng)的匝數(shù)，他們的空間矢量都與各相的坐標軸相重合。類似的在圖 (c)中有兩個互相垂直的繞組 d 和 q，它們的匝數(shù)相等，分別通電流 id和 iq,產(chǎn)生合成磁動勢 F，合成磁勢的位置相對 d、q 坐標系來說是靜止的。直流電動機的轉(zhuǎn)矩表達式是 iCT Te ?? ? ，式中 eT 為電磁轉(zhuǎn)矩， TC 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，i 為電樞電流， ? 為磁通。因此，磁動勢不變是不同坐標系間進行變換的一項基本原則。而被導(dǎo)通的兩相繞組上電流方向和反電動勢（依次記作 i， E）大小數(shù)量上相等，方向相反，所以電機的電子轉(zhuǎn)矩也可以表示成式子（ ） ?? EiTe 2 （ ） （ 3） 運動方程 無刷直流電機的運動方程為： dtdJTTLe??? （ ） 式中 J 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（ kg （ 1） 電壓方 程 根據(jù)電機學(xué)原理，繞組可等效為純電阻和純電感的串聯(lián)，故電機繞組上的電 壓是電阻壓降和電感感應(yīng)電動勢之和，任意繞組的電壓方程為： xxxx eiRu ?? （ ） 其中， xu —— 相繞組電壓； xR —— 每相繞組的電阻； xi —— 流過繞組的電流； xe —— 每相繞組的感應(yīng)電動勢，其中 dtdex ??； x? —— 每相繞組的磁鏈。 無刷直流電機的基本方程 理想的無刷直流電機反電動勢是梯形波，本文在靜止的 ABC 三相坐標系上以兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，在分析無刷直流電機工作原理的基礎(chǔ)上建立了它的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。該過程中電流的流經(jīng)的 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 途徑為： E+→ V1 管→ A 相繞組→ B 相繞組→ V6 管→ E。 (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部分組成；跟蹤轉(zhuǎn)子的外觀為一圓柱體，其由非導(dǎo)磁材料制作而成，一般有扇狀形式的磁芯和不具有導(dǎo)磁性質(zhì)的襯套兩部分組成。速度和電流信號采集、處理模塊所輸出的信號決定各相繞組導(dǎo)通的順序和通斷時間。 第四章、第五章為無刷直流電機矢量控制系統(tǒng)及仿真實驗，根據(jù)前幾章對理論的研究，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)果驗證控制理論并對結(jié)果進行說明分析。它以定子電流和頻率為控制量，保持電動機的旋轉(zhuǎn)磁場大小不變，而改變磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)矩的實時控制。從同步旋轉(zhuǎn)坐標系看，電機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)坐標系中的形式，找到被控矢量（電壓或者電流）各個分量和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，就可以實時地計算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個分量值。矢量控制系統(tǒng)是通過坐標變換，把交流電機在按照磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標系上等效成直流電機，從而模仿直流電機進行控制，使交流電機的調(diào)速性能達到或 超過直流電機的性能。永磁無刷直流電動機的優(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，免維護或少維護，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。 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)展前途的電機產(chǎn)品。 永磁無刷直流電 機以其結(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)用于車用電機驅(qū)動系統(tǒng)中。 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。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。無刷直流電機用電子換向裝置取代了普通直流電動機的機械換向裝置，消除了普通直流電機在換向過程中存在的換向火花，電刷磨損，維護量大，電磁干擾等問題，成為了電動車驅(qū)動電機的主流選擇。 本文主要研究 內(nèi)容 如下 ： ，首先 對永磁無刷直流電機本體及數(shù)學(xué)模型分析 ，接著 對矢量控制坐標變換和空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的原理和實現(xiàn)進行分析 。機動車尾氣排放污染物對空氣的影響越來越嚴重，給區(qū)域和城市的環(huán)境帶來巨大的壓力。電動汽車的研制也有利于促 進高科技的發(fā)展、新興丁業(yè)的興起以及經(jīng)濟的發(fā) 展。 永磁無刷直流電機發(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械電刷的專利，標志著現(xiàn)代無刷電動機的誕生。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。基于這些要求，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驅(qū)動控制技術(shù)進行了深入的研究，在傳統(tǒng)方波控制技術(shù)中加入改進的 PI調(diào)節(jié)控制、模糊控制及滑模變結(jié)構(gòu)控制等先進技術(shù)。矢量控制基本思想是在普通交流電動機上設(shè)法模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩控制方式，通過電動機外部的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對電樞磁動勢和勵磁磁場進行空間定向控制，即控制兩者的空間電角度。 進入 21 世紀，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。 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 機矢 量 控 制技 術(shù) 實現(xiàn) 展 開 研究 ， 用Matlab/Simulink 實現(xiàn)模擬仿真。其框圖如圖： 圖 無刷直流電機的構(gòu)成框圖 電動機主體 直流無刷電機的電機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)電動機的相似，都是采用三相或二相繞組；直流無刷電機的電機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。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。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 永磁無刷直流電機系統(tǒng)圖 圖 無刷直流電機工作原理示意圖 圖 22 中 BLDCM 表示三相兩極無刷直流電機本體， PS 為轉(zhuǎn)子位置傳感器，其 與電機轉(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。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 C 出，電樞繞組合成的氣隙磁勢 Fa 如圖中所示。 （ 2）假定磁路不飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗。由假設(shè)可以得到 cbacba LLLRRR ???? 。 一般在實際工程應(yīng)用中，通常采用轉(zhuǎn)速 n 代替機械角速度Ω來表示轉(zhuǎn)子速度，用飛輪慣量 2GD 代替轉(zhuǎn)動慣量 J 表示機械慣性，換算方法式子（ ）和（ ）所示： 602 n??? （ ） gGDmpJ 4 22 ?? （ ） 其中 m 是電機轉(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（ ）。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。 在同步旋轉(zhuǎn)坐標系上，轉(zhuǎn)矩控制復(fù)雜性得到了根本解決。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。 圖 兩相靜止 ɑβ 坐標系和旋轉(zhuǎn) dq 坐標系 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。通過一定的控制，可以使得交流電動機的轉(zhuǎn)子總磁通等效于直流電動機的勵磁磁通，所以兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中的 d繞組就等價于直流電動機的勵磁繞組 ,id 等價于勵磁電流，兩相旋轉(zhuǎn) 坐標系中的 q 繞組相當于靜止的電樞繞組， iq相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。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。所以只要能夠確定轉(zhuǎn)子準確的空間位置，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的電磁轉(zhuǎn)矩了，因為此時它只和 q 軸分量成正比。這種控制策略的核心思想在于調(diào)節(jié) d、 q 軸電流達到最佳組合，使電機在給定轉(zhuǎn)矩下定子電流幅度最小。當轉(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