【正文】 做畢業(yè)設(shè)計(jì)是一次再系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)論文的完成同樣也意味著新的學(xué)習(xí)生活的開始。 同時我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友。致謝 通過這幾個月的努力，我的畢業(yè)論文《電動汽車用無刷直流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》終于完成了，這意味著我的大學(xué)生活即將結(jié)束。 但是在分析控制理論和電機(jī)工作原理的時候，有著很多假設(shè)條件，所以上述理論結(jié)果都是理想條件下的結(jié)果。設(shè)計(jì)了無刷直流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，根據(jù)推導(dǎo)建立了無刷直流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。 三相交流電流波形六 總結(jié)與展望 總結(jié) 無刷直流電機(jī)擁有出力大，調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今社會已經(jīng)廣泛被應(yīng)用，本文將基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制技術(shù)應(yīng)用于永磁無刷直流電機(jī)的驅(qū)動控制當(dāng)中，以解決其因多變量、非線性、強(qiáng)耦合等特性難于控制的問題。而采用BUS Selector模塊可選擇測量信號來源。根據(jù)第三章介紹的矢量控制、=0的轉(zhuǎn)子磁場定向控制和電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)和坐標(biāo)變換方法，： 基于=0控制的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 圖5．1中，為轉(zhuǎn)速給定值；，n為傳感器采樣獲取的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)速差經(jīng)速度環(huán)后輸出的q軸電流分量；為電流傳感器采樣獲得的電機(jī)實(shí)際電流經(jīng)坐標(biāo)變換后所得的q軸電流分量；為給定值，由于采用=0控制，所以其值為零；為電流傳感器所獲得的電機(jī)實(shí)際電流經(jīng)坐標(biāo)變換后的d軸電流值。 扇區(qū)I內(nèi)三相PWM波調(diào)制方式第5章 直流無刷電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 本文在第三章介紹的=0的轉(zhuǎn)子磁場定向控制和電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上，確定了直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的控制方案并在Matlab／Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真研究。由于初始狀態(tài)為，所以首先應(yīng)當(dāng)動作的為，然后為，然后為零矢量動作，這樣就實(shí)現(xiàn)了整個過程中每次只有一個開關(guān)動作。在一個PWM周期內(nèi)除了非零電壓矢量的作用，還要有零電壓矢量的作用，零電壓矢量包括。 設(shè)每個扇區(qū)的兩個基本矢量動作的時間為。 （）通過上面的方法即可以確定基本矢量的作用時間，當(dāng)需要合成的矢量位于各個不同的扇區(qū)時都存在如上的運(yùn)算。，這樣給定一個空間電壓矢量就可以確定其所在的扇區(qū)。 電壓空間矢量的空間位置這里需要引入扇區(qū)的概念，將整個平面分為六個扇區(qū)。 SVPWM的具體實(shí)現(xiàn)方法在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)利用SVPWM自身的特點(diǎn)找到控制規(guī)律，避開復(fù)雜的數(shù)學(xué)在線運(yùn)算，從而較為簡單的實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，本節(jié)將給出實(shí)現(xiàn)SVPWM的具體方法。當(dāng)為某一非零電壓矢量時，磁鏈空間矢量從初始位置出發(fā)，沿對應(yīng)的電壓空間矢量方向，以為半徑進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)為一零電壓矢量時，磁鏈空間矢量的運(yùn)動受到抑制。電機(jī)定子電壓空間矢量為 （）而由三角函數(shù)運(yùn)算知。當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻壓降在式（）中所占的比例很小，可以忽略不計(jì)，則定子合成鏈空間矢量的近似關(guān)系為或 （）即磁鏈空間矢量可以等效為電壓空間矢量的積分，如果能夠控制電壓空間矢量的軌跡為如式（）所示的圓形矢量，那么磁鏈空間矢量的軌跡也為圓形。 表 開關(guān)管狀態(tài)與線、相電壓之間的關(guān)系 上述關(guān)系及參量是建立在三相靜止ABC坐標(biāo)系上。 以開關(guān)狀態(tài)為例，即開關(guān)導(dǎo)通，其余關(guān)斷。 電壓空間矢量PWM控制基本原理 圖 三相逆變橋電路 圖 41 中三相橋式逆變器由 A、B、C 三相橋臂組成，每個橋臂上有兩個功率開關(guān)器件，即共有 Q1~Q6 六個器件。由電機(jī)學(xué)可以證明，三相電壓空間矢量相加的合成電壓矢量是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值是每相電壓幅值的3/2倍，以電源角頻率為電角速度在空間旋轉(zhuǎn)。 電壓空間矢量 PWM 控制三相逆變器，通過合理地選擇、安排開關(guān)變量(開關(guān)器件的通斷狀態(tài))的轉(zhuǎn)換順序和通、斷持續(xù)時間，利用特定位置的電壓空間矢量和零矢量合成任意空間矢量，可以調(diào)控三相輸出電壓大小和相位。但應(yīng)用SPWM技術(shù)的電機(jī)繞組中含高次諧波分量，嚴(yán)重時會使電機(jī)發(fā)熱或產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩紋波甚至振蕩，而且對直流側(cè)電源利用率也隨之降低。經(jīng)過坐標(biāo)變換之后，得到產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩所要用的 d、q 軸電流，為了減少控制量使得無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制和普通直流電電機(jī)類似，所以提出將 d 軸分量，也就是勵磁分量控制恒為零，所以（）式就變?yōu)槭阶樱ǎ? （） 式子中的由電機(jī)轉(zhuǎn)子位置決定的，所以如果采取為恒定值的控制策略，電磁轉(zhuǎn)矩將會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩紋波。單位安培定子電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大，可以獲得最高的轉(zhuǎn)矩電流比，電機(jī)的銅耗也最小。 綜上所述的各種控制策略各有不同的應(yīng)用場合，本文所采用的控制方式為 id=0 控制。而反電動勢與轉(zhuǎn)速和氣隙磁通乘積成正比，因此必須維持電機(jī)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。同樣與（1）相比，在同樣大小定子電流情況下，這種方式的轉(zhuǎn)矩相對較大。 （3）恒磁鏈控制 恒磁鏈控制的原理是控制電動機(jī) id、iq，讓電動機(jī)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。這種控制方法簡單易行，轉(zhuǎn)矩性能良好、計(jì)算簡單、調(diào)速性能好。目前無刷直流電動機(jī)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(jìn)行坐標(biāo)變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上面的電流 id和 iq，實(shí)現(xiàn)了 d、q 軸電流的解耦。但如果直接使用三相電流來控制，計(jì)算很復(fù)雜，所以需要將定子側(cè)的各個物理量經(jīng)過坐標(biāo)變換變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，從這個坐標(biāo)系上看，電流等空間矢量就變成了直流矢量，所以找到這個坐標(biāo)系中的各個分量和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，就可以計(jì)算出控制轉(zhuǎn)矩所需要的各個分量的值，然后將這些值逆變換回三相靜止坐標(biāo)系，這就能夠獲得像直流電動機(jī)一樣的控制性能。通過電動機(jī)外部的控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)電樞磁場和勵磁磁場進(jìn)行定向控制，也就是控制磁場間的空間電角度，進(jìn)一步說，想要獲得和普通直流電動機(jī)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。 確定了 id、iq的控制策略后，只要進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)反變換就能得到三相 ABC 電流的控制方法，這樣就能像控制普通直流電動機(jī)一樣控制無刷直流電機(jī)了。但與ɑβ坐標(biāo)系相比，dq坐標(biāo)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(biāo)系是靜止的，依靠dq坐標(biāo)系本身的同步旋轉(zhuǎn)，使F1成為同步旋轉(zhuǎn)的圓形磁動勢。不過需要特別注意的是，這里的電流都是空間矢量，而不是時間矢量。 和兩相αβ坐標(biāo)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(biāo)軸相重合。更進(jìn)一步如果磁通方向是固定在d軸上，那這個模型基本上就等效于直流電動機(jī)物理模型。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(biāo)系來說是靜止的。永磁無刷直流電機(jī)的物理模型可以等效變換成類似直流電機(jī)模型，分析和控制就可以大大簡化，而這些都是基于坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的。直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式是，式中為電磁轉(zhuǎn)矩，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，i為電樞電流，為磁通。在三相靜止坐標(biāo)系上，永磁無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個多變量、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜模型。因此，磁動勢不變是不同坐標(biāo)系間進(jìn)行變換的一項(xiàng)基本原則。將式子（）和（）代入（）式子中得到： （）第三章 矢量控制坐標(biāo)變換 坐標(biāo)變換 從一種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一種坐標(biāo)系的變換稱為坐標(biāo)變換。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(jī)的電子轉(zhuǎn)矩也可以表示成式子（） （）（3） 運(yùn)動方程無刷直流電機(jī)的運(yùn)動方程為： （）式中 J 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（kg由假設(shè)可以得到；互感均相等為 M。 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(yùn)動狀態(tài)方程。 （2）假定磁路不飽和，不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗。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)。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。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)。 永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)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。 這種位置傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、輕巧便于安裝、調(diào)整更換較為方便等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)為對環(huán)境要求高、輸出信號需處理。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。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。其框圖如圖： 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(diǎn)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(qiáng)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?jǐn)?shù)槽繞組方式。 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。 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(shí)現(xiàn)展開研究，用Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)模擬仿真。該理論出發(fā)點(diǎn)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。 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。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(jì)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。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(shí)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。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(shí)踐，形成了現(xiàn)在獲得廣泛應(yīng)用的矢量控制系統(tǒng)。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(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)。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(yùn)轉(zhuǎn)。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