【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。蓄電池的選擇前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，必須要配合已經(jīng)選好的電機(jī)來(lái)選購(gòu)，如果電機(jī)銘牌上面的額定電壓為34V，即線電壓的最大有效值為34V，峰值就為48V，選擇蓄電池的時(shí)候就應(yīng)該對(duì)應(yīng)不同的控制方式選擇所需要的電池電壓。若使用SVPWM輸出的方式控制三相橋臂，那就可以選擇48V蓄電池組供電。在控制面板的選擇上，可以維持當(dāng)前的面板不變，也可以根據(jù)控制器的功能設(shè)定自己定制控制面板，一般包括油門(mén)、剎車、反向、緊急反向、緊急斷電等按鈕。車燈和報(bào)警裝置的選擇也可以不變，以適應(yīng)以前操作人員的習(xí)慣。以上分析了電機(jī)車的機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)改造的要點(diǎn)和一些所需要注意的地方?？梢钥闯?，工作量最大而且最復(fù)雜的就是控制器的設(shè)計(jì)，它不僅要滿足使用的需要，更要做到安全穩(wěn)定。要做到這些，必須要選擇一個(gè)比較好的控制策略。 控制策略的選擇與介紹 三相異步電動(dòng)機(jī)控制方案比較三相異步電動(dòng)機(jī)的控制策略比較多，隨著電力電子器件的發(fā)展和控制芯片的不斷開(kāi)發(fā)而不演變，選擇控制策略的時(shí)候，要考慮安全、可靠、開(kāi)發(fā)難度等多個(gè)方面?？傮w來(lái)說(shuō)，三相異步電機(jī)調(diào)速方式已經(jīng)從以前的串電阻、變極調(diào)速等發(fā)展到現(xiàn)在普遍使用的變壓變頻調(diào)速，變頻調(diào)速原理如下[7]：異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式： (21)式中：n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分（RPM）；p—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；f—電源頻率，單位為赫茲；s—轉(zhuǎn)差率。由式(21)可見(jiàn)，電機(jī)極對(duì)數(shù)、電源頻率、轉(zhuǎn)差率均可影響電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。其中，經(jīng)過(guò)分析試驗(yàn)，確定了采用改變頻率的方式來(lái)調(diào)速效果最好，即通常所說(shuō)的變頻調(diào)速。常見(jiàn)的變頻調(diào)速方法主要有以下4種：1． 恒V/F比調(diào)速恒壓頻比的控制思想是在改變電機(jī)頻率的同時(shí)改變電機(jī)電壓，兩者始終有一個(gè)對(duì)應(yīng)的比值關(guān)系。這樣可以保證磁鏈基本不變，它是一種基本的控制方式。電機(jī)定子的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： (22)式中：—繞組系數(shù)；—每極最大磁通；—電源頻率；—定子繞組匝數(shù)。電機(jī)工作在額定條件的情況下時(shí)，忽略定子電阻和漏阻抗，則電機(jī)的端電壓大小約等于感應(yīng)電勢(shì)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變，其供電頻率由(21)可知必定會(huì)發(fā)生變化（電機(jī)極對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)差不變）。此時(shí)，根據(jù)三相異步電機(jī)特性，電壓不做出改變的情況下電機(jī)的磁鏈會(huì)發(fā)生欠勵(lì)磁或者過(guò)勵(lì)磁，前者會(huì)影響電機(jī)的特性，后者會(huì)照成能量浪費(fèi)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使電機(jī)發(fā)熱燒壞電機(jī)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí)，產(chǎn)生的電勢(shì)和電壓大小基本相當(dāng)，電勢(shì)比較難以檢測(cè)，所以通過(guò)電壓來(lái)確定電勢(shì)，然后就可以控制電壓和頻率的比值來(lái)保持磁鏈恒定[8]。保持比值恒定以后，就可以大致保證磁鏈的恒定，但是在低速時(shí)存在一些問(wèn)題，因?yàn)檫@種方法的使用前提是忽略定子電阻的影響，低速時(shí)定子電阻的影響較大，V/f控制效果變差。所以此控制方法主要使用在風(fēng)機(jī)、水泵等要求較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以速度開(kāi)環(huán)控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便，無(wú)需速度反饋。2． 轉(zhuǎn)差頻率控制三相異步電機(jī)在外施電壓、頻率和參數(shù)為規(guī)定值時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)差率s（或轉(zhuǎn)速n）之間的函數(shù)關(guān)系，可用一條曲線表示，稱為異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率曲線，簡(jiǎn)稱Ts曲線，又稱為機(jī)械特性曲線，它是異步電動(dòng)機(jī)的最主要的特性[9]。式(23)是異步電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩： (23)式中：—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；—定子相電壓；—定子電抗；—轉(zhuǎn)子電抗；—定子電阻；—轉(zhuǎn)子電阻。在轉(zhuǎn)差相對(duì)較小的時(shí)候，可以忽略式中的轉(zhuǎn)差平方項(xiàng)。公式可以簡(jiǎn)化成式(24)形式： (24)根據(jù)公式(24)，當(dāng)電機(jī)的頻率一定的時(shí)候，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差成正比。這樣就可以通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)差和頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，而且由于它采用了速度閉環(huán)控制，具備較好的控制效果。這種控制方法的控制性能雖然比較優(yōu)秀，但是由于其原理上的缺陷，控制規(guī)律是在假設(shè)的基礎(chǔ)上得到，而且在公式的推導(dǎo)中忽略了很多因素，照成了實(shí)際的結(jié)果和理論上可以達(dá)到的水平有差距，系統(tǒng)在穩(wěn)定性以及響應(yīng)水平方面不夠好，只能應(yīng)用于一些要求不是太高的場(chǎng)合[10]。目前在車輛控制上面很少使用這種控制方式。3． 矢量控制上世紀(jì)70年代西德F．Blaschke等人提出了矢量控制(FOC)理論，為電機(jī)控制領(lǐng)域提供了利用直流電機(jī)等效交流電機(jī)的模型[11]。矢量控制的思想是將異步電動(dòng)機(jī)等效成直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)坐標(biāo)變換將電機(jī)定子電流分解成兩個(gè)互不影響的“勵(lì)磁”、“轉(zhuǎn)矩”電流，實(shí)現(xiàn)正交解耦從而獲得與直流電動(dòng)機(jī)一樣好的動(dòng)態(tài)調(diào)速特性[12][13]。矢量控制國(guó)外也叫磁場(chǎng)定向控制，其實(shí)質(zhì)是在控制三相交流電的電壓和頻率大小基礎(chǔ)上，加上了相位控制，相位的加入實(shí)際上是在計(jì)算的時(shí)候加上了一個(gè)角度計(jì)算，即電機(jī)定子電流相對(duì)于轉(zhuǎn)子的位置角。通過(guò)對(duì)電機(jī)定子電流的檢測(cè)，將檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，這其中涉及到電機(jī)的參數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的位置實(shí)現(xiàn)“磁場(chǎng)定向”，有了這個(gè)結(jié)果就可以對(duì)三相電壓的頻率進(jìn)行控制。這樣理論上可以使同樣的電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最優(yōu)，使負(fù)載變化照成的影響降到最小。此外，矢量控制還會(huì)根據(jù)位置變化情況求出轉(zhuǎn)速來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償，進(jìn)一步優(yōu)化了控制性能。這種方法由于控制性能優(yōu)越，目前廣泛應(yīng)用于三相異步電機(jī)的控制中，特別是在汽車控制領(lǐng)域。4． 直接轉(zhuǎn)矩控制1985年德國(guó)魯爾大學(xué)DePenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn)在于不需要解耦，因?yàn)榻怦钚枰拇罅康挠?jì)算機(jī)資源。直接轉(zhuǎn)矩控制直接利用檢測(cè)到的定子電流、電壓，通過(guò)理論公式變換，直接得到電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的大小。直接轉(zhuǎn)矩控制在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)方面優(yōu)于任何一種異步電機(jī)控制效果，在負(fù)載或者速度變化時(shí)可以快速響應(yīng)，但是由于響應(yīng)過(guò)快易照成過(guò)大的沖擊電流而損壞功率開(kāi)關(guān)管，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要受到這方面的限制[14]。由以上的分析可知，異步電機(jī)的變頻控制各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)考慮到以下幾點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇第三種控制策略。1． 恒壓頻比控制的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)，低速時(shí)候帶載能力較差，應(yīng)用上受到限制。2． 轉(zhuǎn)差頻率控制只適合應(yīng)用于對(duì)轉(zhuǎn)速要求不高的場(chǎng)合，不適合做電機(jī)車的控制。3． 矢量控制可以使三相異步電機(jī)發(fā)揮較好的性能，甚至可以與直流調(diào)速相媲美，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，但仍然是全世界范圍內(nèi)異步電機(jī)調(diào)速的主流。4． 直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速以簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)完成高性能的電機(jī)調(diào)速，但是在實(shí)現(xiàn)上面非常復(fù)雜，雖然理論提出比較早，但是目前只有ABB公司可以研究出產(chǎn)品。 矢量控制整體實(shí)現(xiàn)方案矢量控制的公式來(lái)源于電機(jī)模型，由電機(jī)模型得到電壓、轉(zhuǎn)矩、磁鏈等基本方程后，再通過(guò)一系列的坐標(biāo)變換來(lái)得到最終的公式?；痉匠痰墨@得需要有以下幾個(gè)前提條件：第一。第二。第三在空間呈。第四。有了上面四個(gè)條件以后，就可以得到電機(jī)簡(jiǎn)化模型如圖2[15]。圖2 三相異步電動(dòng)機(jī)物理模型Fig2 Threephase asynchronous motor physical model根據(jù)電機(jī)模型，再由電氣原理可以得到基本的電機(jī)公式，詳細(xì)公式可以參考電機(jī)控制類書(shū)籍。得到電機(jī)模型基本公式以后，就可以進(jìn)行坐標(biāo)變換了。換的。這樣可以降低運(yùn)算的復(fù)雜度，其中三相坐標(biāo)系、兩相坐標(biāo)系、兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換原理如下。，功率不變。1． Clark變換（3s/2s變換）與反Clark變換（2s/3s變換）首先假定三相異步電機(jī)由三相對(duì)稱的正弦電源供電，定子的三相繞組磁軸線在空間上兩兩相差120度電角度[16]。這樣可以得到一個(gè)各相差120度的坐標(biāo)系，在這個(gè)坐標(biāo)系上，以其中一相為橫軸（A軸），以其逆時(shí)針90度做一條縱軸，就可以得到一個(gè)兩相靜止坐標(biāo)系，如圖3所示。如果將此兩相坐標(biāo)系以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，就可以得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，如圖4所示。根據(jù)圖中坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以找到它們之間相互轉(zhuǎn)化的公式。圖3 三相坐標(biāo)系與兩相靜止坐標(biāo)系關(guān)系圖Fig3 Threephase coordinate system and two phase static coordinate system relationship chart由圖3可以得出，由三相坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換(3s/2s）公式如下： (25)由兩相靜止坐標(biāo)系到三相坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換（2s/3s）公式為公式（25）的逆變換矩陣，公式如下： (26)2． Park變換（2s/2r）和反Park變換（2r/2s）圖4 兩相靜止坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系關(guān)系圖Fig4 Twophase static coordinate system and twophase rotation coordinate system relationship chart由圖4，再根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，可以得到Park變換公式如下： (27)同樣的，反Park變換為Park變換的逆變換，公式如下： (28)上面就是坐標(biāo)變換的全部公式，通過(guò)這幾個(gè)公式，再結(jié)合前面電機(jī)模型得到的基本公式就可以推出以下幾個(gè)公式：電壓方程： (29)轉(zhuǎn)矩方程： (210)運(yùn)動(dòng)方程： (211)式中：Rs、Ls—折算后的定子電阻、電感；Rr、Lr—折算后轉(zhuǎn)子電阻、電感；Lm—定轉(zhuǎn)子互感；p—微分算子；Usd、Usq—定子電壓的D、Q軸分量；Urd、Urq—轉(zhuǎn)子電壓的D、Q軸分量；isd、isq—定子電流的D、Q軸分量；ird、irq—轉(zhuǎn)子電流的D、Q軸分量。有了（29）到（211）幾個(gè)公式以后，現(xiàn)在如果假定兩相坐標(biāo)系以同步角速度旋轉(zhuǎn)，則它在D、Q坐標(biāo)軸上的磁鏈分量為直流。此時(shí)進(jìn)一步將D軸與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，那么得到的兩個(gè)直流分量將近似的等同于直流電機(jī)中的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量。在此假定條件下以下公式成立： (212)帶入下面的磁鏈方程： (213)可以得到下面的兩個(gè)轉(zhuǎn)子電流公式： (214) (215)根據(jù)鼠籠電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子短路的特點(diǎn)，可以得到urd=urq=0,并且用M/T坐標(biāo)代替dq坐標(biāo)系可以得到： (216) (217)由公式(216)可以看出，磁鏈的決定因素只有勵(lì)磁電流。和轉(zhuǎn)矩電。又由(217)可以知道，只要?jiǎng)?lì)磁是恒定值，轉(zhuǎn)差角頻率就可以由轉(zhuǎn)矩電流控制。圖5是矢量控制方案流程圖。圖5 矢量控制結(jié)構(gòu)圖Fig5 Vector control structure由圖5所示，矢量控制的具體流程如下：1． 由光電編碼器和霍爾電流傳感器分別將速度信號(hào)與定子電流值送入DSP2812。2． 得到的兩路電流值，通過(guò)ClarkPark變換得到勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流id、iq。3． 光電編碼器的脈沖輸入到DSP2812的QEP模塊中，計(jì)算出當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。4． 由當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)矩電流經(jīng)過(guò)電流模型的計(jì)算，可以得到當(dāng)前的坐標(biāo)變換角θ。θ用于下次的Clark反變換中。5． 由給定速度與當(dāng)前速度計(jì)算出本次該給定的轉(zhuǎn)矩，并與當(dāng)前計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到最終的轉(zhuǎn)矩輸出電壓Vq。6． 由額定勵(lì)磁與計(jì)算出的勵(lì)磁電流比較，并且通過(guò)PI調(diào)節(jié)，得到最后的勵(lì)磁輸出電壓Vd。7． 由得到的Vd、Vq，和上次計(jì)算得出的變換角θ，通過(guò)反Park變換，可以得到靜止坐標(biāo)系下的輸出電壓Vα、Vβ，然后再通過(guò)反Clark變換，的到最終的VA、VB、VC。8． 由三相輸出電壓再通過(guò)SVPWM計(jì)算程序，計(jì)算出PWM波的頻率值，然后通過(guò)IR2104S輸出，產(chǎn)生出正確的三相正弦波形。 模糊PID控制器實(shí)現(xiàn)方案本設(shè)計(jì)的速度調(diào)節(jié)器采用模糊PID控制器。模糊PID控制器是指在傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上，通過(guò)一定的模糊規(guī)則，將實(shí)際系統(tǒng)中較難確定的比例、積分、微分（）系數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)，根據(jù)需要不斷調(diào)整PID參數(shù)值[17]。由于可以智能化的調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，所以模糊PID控制器可以改善被控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的抗干擾能力[18]。本設(shè)計(jì)的速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器采用模糊PID控制器。模糊PID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig6 Fuzzy PID control system structure要實(shí)現(xiàn)模糊化設(shè)計(jì)，首先要將輸入量分成七個(gè)等級(jí)，即：、、。再將的值進(jìn)行模糊化處理，取整數(shù)論域范圍為，可得到它的語(yǔ)言變量值范圍如表1所示[19]。表1 各語(yǔ)言變量值范圍Table1 Each language variable value range語(yǔ)言變量值范圍由表1可以畫(huà)出模糊量的隸屬度函數(shù)，如圖7所示。圖7 的語(yǔ)言變量值隸屬度函數(shù)曲線Fig7 language variable value membership function curve有了隸屬函數(shù)曲線，就可以按照曲線中的關(guān)系來(lái)計(jì)算誤差量的隸屬度。計(jì)算的規(guī)則是根據(jù)人們積累的經(jīng)驗(yàn)而來(lái)的，三個(gè)參數(shù)具有不同的規(guī)則，如表4所示[20]。表2 模糊控制規(guī)則表Table2 fuzzy control rule tableΔe(k)e(k)