【導(dǎo)讀】合理設(shè)計(jì)磁路結(jié)構(gòu)能夠獲得較高的弱磁性能，可以成為各類工具首選驅(qū)動(dòng)機(jī)。本文在介紹電動(dòng)汽車中電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀和性能要求的基礎(chǔ)上。功率驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路以及功率器件的保護(hù)電路等。流電機(jī)所帶來的諸多不利影響。師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。

　　

【正文】 ，直軸電流為 0， 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 實(shí)現(xiàn)了 id=0 的控制。 （ a） 三相電流波形 (A) (b) id， iq 電流波形 (A) (c) 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形 (rad/s) (d) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形 () 圖 37 轉(zhuǎn)速在 突然由原來的 200 rad/s 變到 400 rad/s 無刷直流電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 /電流比控制 仿真模型介紹 MTPA 控制 這種 MTPA 實(shí)現(xiàn)方法基于滯環(huán)電流模塊，在模型運(yùn)行前 Lookup Table 模塊中已經(jīng)存入了多組轉(zhuǎn)矩信號(hào) Tem和對(duì)應(yīng)的 id、 iq 數(shù)值，如圖 38 所示，運(yùn)行時(shí)，第一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩信號(hào) Tem，通過 Lookup Table 查表，輸出對(duì)應(yīng)的 id、 iq數(shù)值。經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等模塊產(chǎn)生控制信號(hào)，其中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊 dqabc ,如圖 39所示。其中滯環(huán)電流控制仿真模塊，如圖 310 所示。 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 圖 38 基于滯留電環(huán)的 MTPA 仿真模型 圖 39 坐標(biāo)變化模塊 圖 310 滯環(huán)電流控制仿真模塊 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 由公式（ 26） ,Park 逆變換矩陣得 : F= u(2)*cos(u(3)) u(1)*sin(u(3)) F1= u(2)*cos(u(3)) + u(1)*sin(u(3)) (238) 由公式（ 27） ,Clark 逆變換矩陣得 : F2= 2/3*u(1) F3= 1/3*u(1)+3^*u(2) F4= 1/3*u(1)+3^*u(2) (239) SPWM 實(shí)現(xiàn)的 MTPA 控制 如下圖 311，在系統(tǒng)運(yùn)行前 Lookup Table 模塊中已經(jīng)存入了多組轉(zhuǎn)矩信號(hào)Tem和對(duì)應(yīng)的 id、 iq 數(shù)值。運(yùn)行時(shí)，電機(jī)參 考轉(zhuǎn)速與實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速之差輸入到第一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩信號(hào) Tem。轉(zhuǎn)矩信號(hào) Tem輸入到 Lookup Table 模塊，通過查表，輸出 id、 iq 理論控制數(shù)值。 id 的理論控制數(shù)值與實(shí)際測(cè)量值之差，通過第二個(gè) PI 調(diào)節(jié)器 輸出電壓控制信號(hào) ud，同理第三個(gè) PI 調(diào)節(jié)器 輸出電壓控制信號(hào)uq，之后經(jīng)過 Park 逆變換和 Clark 逆變換產(chǎn)生控制信號(hào) Va、 Vb、 Vc，經(jīng) SPWM模塊，完成電機(jī)控制。 圖 311 基于 SPWM 的 MTPA 仿真模型 MTPA 控制模塊介紹 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 在 Matlab2020 中，對(duì)滯環(huán)電流跟蹤控 制的 MTPA 仿真模型進(jìn)行了進(jìn)一步完善，使模型仿真的結(jié)果更加真實(shí)，采用了如圖 312 的結(jié)構(gòu)。 MTPA 矢量控制的PMSM 包括：矢量控制模塊（ vector controller）、速度控制模塊 (Speed contorller)、無刷直流電動(dòng)機(jī)體（ PMSM）、制動(dòng)回收模塊 (Braking chopper)、三相二極管整流模塊 (Threephase rectifier)、三相逆變模塊 (Threephase inverter)。 圖 312 模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 （ 1）速度調(diào)節(jié)器 速度調(diào)節(jié)器基于 PI 調(diào)節(jié)，其中 N*為參 考轉(zhuǎn)速， N 為實(shí)際轉(zhuǎn)速， Te*為參考轉(zhuǎn)矩，如圖 313 所示。首先參考轉(zhuǎn)速 N*通過速度斜坡器 (Speed ramps),使階躍信號(hào)轉(zhuǎn)化為斜坡信號(hào)，真實(shí)情況下電機(jī)轉(zhuǎn)速不能產(chǎn)生突變，如圖 314 所示 。實(shí)際轉(zhuǎn)速 N 通過一階低通濾波器，去掉輸入信號(hào)中不必要的高頻成分，防止高頻干擾。使得輸出信號(hào)更加平滑與理想。 圖 313 速度調(diào)節(jié)器 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 , 圖 314 速度突變轉(zhuǎn)化為速度漸變 （ 2）矢量控制器 矢量控制模塊包含四個(gè)子模塊，如下圖 315 所述： 圖 315 矢 量控制器 1) dq— abc 模塊的作用是將轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系的 d、 q 軸 電流轉(zhuǎn)換為 A、 B、 C 三相電流。 2) 電流調(diào)節(jié)器模塊 (Current regulator)是一個(gè)具有可調(diào)磁滯帶寬的電流調(diào)節(jié)器。 3) 角度轉(zhuǎn)換模塊 (Angle conversion)由機(jī)械轉(zhuǎn)子角計(jì)算電子轉(zhuǎn)子角。 4) 開關(guān)控制模塊 (Switching control)用于限制變頻器的最大頻率值，此值由用戶設(shè)定。 （ 3）制動(dòng)回收模塊 制動(dòng)回收模塊包含側(cè)電壓電容器和動(dòng)力制動(dòng)回收器，其目的是回收電機(jī)減速時(shí)的能量。如下圖 316 所示，電池的電壓為 310V，車輛在啟動(dòng)或制動(dòng) （驅(qū)動(dòng)電機(jī)承受負(fù)轉(zhuǎn)矩）時(shí)，電池兩端的實(shí)際電壓上升，電池處于充電狀態(tài)，為防止電源承受的電壓過大，需要接入保護(hù)電阻。制動(dòng)回收模塊的工作電壓設(shè)為 330V，當(dāng)實(shí)際電壓大于或者等于 330V 時(shí)，比較控制器（ Proportional controller）輸出值為1，控制開關(guān)閉合，開關(guān)內(nèi)部的電阻接入電路，防止電壓過大。當(dāng)電池兩端的實(shí)際電壓小于或者等于 310V 時(shí)，比較控制器（ Proportional controller）輸出值為 0， 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 控制開關(guān)打開，此時(shí)相當(dāng)于該電路斷開，如圖 317。 圖 316 能量回收模塊 圖 317 比較控制器信號(hào)與直流母線電壓 根據(jù) MTPA 原理計(jì)算 Tem 對(duì)應(yīng)的控制電流 iq、 id 源程序 f=。ld=。lq=。Rs=。p=4。j=。imax=30。 %參數(shù)賦值 iq=0::()。 %賦予 iq不同的數(shù)值，使 idiq曲線盡可能接近idmaxiqmax id=(f+(f.^2+4.*(ldlq).^2.*iq.^2).^)/(2.*(ldlq))。 %根據(jù)等式 (228)，計(jì)算 id subplot(2,1,1)。plot(id,iq,39。b39。)。 %畫出 idiq曲線 hold on。 id_max=(f+(f.^2+8.*(ldlq).^2.*imax.^2).^)/(4.*(ldlq))。 %根據(jù)公式（ 230），計(jì)算電流達(dá)到極限值時(shí)的 id值 iq_max=(imax.^2id_max.^2).^。 %根據(jù)公式（ 230），計(jì)算電流達(dá)到極限值 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 時(shí)的 iq值 subplot(2,1,1)。plot(id_max,iq_max,39。r+39。)。 %畫出電流極限值時(shí)的 idmaxiqmax點(diǎn) Tittle = legend(39。idiq39。,39。idmax_iqmax39。,2)。 xlabel(39。id39。)。 ylabel(39。iq39。)。 id1=id./(f./ld)。 %標(biāo)么化處理， id*=id1 id_max1=id_max./(f./ld)。 %標(biāo)么化處理， id_max*=id_max Tem1=(id1.*(id11).^3).^。 %標(biāo)么化處理后，由等式 (229)，計(jì)算 Tem* Tem=Tem1.*(p.*f.^2./ld)。 %由標(biāo)么化處理的逆運(yùn)算，由 Tem*求 出 Tem，其中Tem*=Tem1 Tem_max1=(id_max1.*(id_max11).^3).^。 %同理，計(jì)算電流極值對(duì)應(yīng)的最大扭矩 Tem_max=Tem_max1.*(p.*f.^2./ld)。 %同上 subplot(2,1,2)。plot(Tem,id,Tem,iq,39。r39。)。 %以 Tem為橫軸，分別畫出 Tem_iq，Tem_id曲線 hold on。 subplot(2,1,2)。plot(Tem_max,id_max,39。M*39。)。 %畫出 idmax_Temax對(duì)應(yīng)的點(diǎn) subplot(2,1,2)。plot(Tem_max,iq_max,39。cp39。)。 %畫出 iqmax_Temax對(duì)應(yīng)的點(diǎn) Tittle = legend(39。Temid39。,39。Temiq39。,39。idmaxTemax39。,39。iqmaxTemax39。,4)。 xlabel(39。Tem39。)。 ylabel(39。iq/id39。)。 運(yùn)行結(jié)果 根據(jù)電機(jī)參數(shù)，繪制了 idiq曲線以及電流極值對(duì)應(yīng)的 ，如圖318 所示。繪制了轉(zhuǎn)矩 Tem 與控制電流 id 和 iq 曲線，如圖 319 所示。 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 圖 318 idiq 曲線 圖 319 Temiq， Temid 曲線 MTPA 控制的仿真結(jié)果 對(duì)一凸極式無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行 MTPA 控制的仿真。用于仿真的電機(jī)參數(shù)如下：定子每相繞組電阻 RS=；直軸電感 Ld=；交軸電感 Lq=；轉(zhuǎn)子磁通 ψr=；極對(duì)數(shù) P=4；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=m2；速度給定值ωref=300rad/s； 逆變器輸入直流電壓 155V。 電機(jī)空載 電機(jī)空載仿真結(jié)果如圖 320 所示，由仿真結(jié)果可知，電機(jī)起動(dòng)瞬間，電流值較大，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩 也較大，轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)矩的變大而逐步升高，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完成后，各變量趨于穩(wěn)定。 (a) 三相定子電流波形（ V） 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 (b)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形（ rad/s） (c)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形（ ） (d)直流母線電壓波形 (V) (e)id、 iq電流曲線 (A) 圖 320 電機(jī)空載 電機(jī)負(fù)載 Tf=2Nm 電機(jī)負(fù)載 Tf=2Nm 的仿真結(jié)果如圖 321 所示。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)電機(jī)由空載變?yōu)樨?fù)載 Tf=2Nm 時(shí)，定子電流和轉(zhuǎn)矩較空載時(shí)大，轉(zhuǎn)速依然能夠穩(wěn)定在300rad/s。 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 (a) 三相定子電流波形（ V） (b)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形（ rad/s） (c)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形（ ） (d)直流母線電壓波形 (V) (e)id、 iq電流曲線 (A) 圖 321 電機(jī)負(fù)載 負(fù)載在 突然由原來的 2Nm 變到 4Nm 三相電流波形為理想正弦波，電機(jī)起動(dòng)完成后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定值 300rad/s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 Tf=2Nm 突然變?yōu)?Tf=4Nm 時(shí)，電流迅速響應(yīng)升高，電磁轉(zhuǎn)矩跟隨電流的升高而升高，最后趨于穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速在負(fù)載變化的瞬間有一定的波動(dòng)，但是 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 很快就趨于穩(wěn)定，如圖 322 所示。 (a) 三相定子電流波形（ V） (b)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形（ rad/s） (c)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形（ ） (d)直流母線電壓波形 (V) (e)id、 iq電流曲線 (A) 圖 322 電機(jī)負(fù)載突變 轉(zhuǎn)速在 突然由原來的 200 rad/s 變到 400 rad/s 當(dāng)轉(zhuǎn)速由 200 rad/s 突變?yōu)?400 rad/s 時(shí)，電流和轉(zhuǎn)矩都產(chǎn)生一定的波動(dòng)，但很快就趨于穩(wěn)定，如圖 323 所示。 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 (a) 三相定子電流波形（ V） (b)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形（ rad/s） (c)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形（ ） (d)直流母線電壓波形 (V) (e)id、 iq電流曲線 (A) 圖 323 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化 電機(jī)制動(dòng)時(shí)，能量回收 電機(jī)參數(shù)不變，參考轉(zhuǎn)速 ωref=300rad/s，啟動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 11N，在 時(shí)變?yōu)?11N，此時(shí)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。制動(dòng)回收模塊的工作電壓為 330V，停止工作電壓為 310V，仿真結(jié)果如圖 324 所示 。直流母線電壓控制在 330V，電池處于充電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能回收，同時(shí)防止電壓過大，如圖 325 所示。 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 圖 324 電機(jī)承受負(fù)扭矩 圖 325 汽車制動(dòng)電壓上升 MTPA 與 id=0 仿真結(jié)果對(duì)比、分析 結(jié)果對(duì)比 對(duì)一凸極式無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行 MTPA， id=0 控制的仿真。用于仿真的電機(jī)參數(shù)如下：定子每相繞組電阻 RS=；直軸電感 Ld=；交軸電感 Lq=；轉(zhuǎn)子磁通 ψr=；極對(duì)數(shù) P=4；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=m2。 計(jì)算兩種控制方法下，定子電流的數(shù)值，如圖 326。在 Workspace 中以時(shí)間（ t）為橫軸，定子電流（ i）為豎軸繪出 ti 曲線，如圖 327 所示 。 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 圖 326 計(jì)算電流模塊 圖 327 電流比較 圖 328 d 軸電流比較 結(jié)果分析 從圖 327 可以看出 ， 采用上述最大轉(zhuǎn)矩 /電流比控制時(shí)所需要的定子電流略 無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究 小于 id=0 控制時(shí)需要的電機(jī)定子電流 ， 提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率。兩種控制方法下的 d 軸電流，均符合控制要求，完成了無刷直流電動(dòng)機(jī)的仿真控制，如圖 328所示。另外 ,根據(jù)文獻(xiàn)［ 22］的研究