畢業(yè)論文-基于轉(zhuǎn)矩變結(jié)構(gòu)控制的電動(dòng)汽車PMSM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第頁(yè)第一章緒論1.1課題的研究背景與意義近年來(lái)，隨著各國(guó)政府對(duì)環(huán)境、資源問(wèn)題的高度重視以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，各國(guó)政府對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)投入越來(lái)越多，人們對(duì)于電動(dòng)汽車的需求量也越來(lái)越大[1-3]。電動(dòng)汽車高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，目前已成為該領(lǐng)域熱門研究課題。永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有控制精度高、轉(zhuǎn)矩密度大、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好以及噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)永磁磁路能使其具有較好的弱磁性能,擴(kuò)大其調(diào)速范圍。上述特點(diǎn)使得永磁同步電機(jī)成為電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究熱點(diǎn)[4]。日本的TakayukiMizuno教授等對(duì)電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)作了大量相關(guān)工作[5]，在國(guó)內(nèi)，武漢理工大學(xué)對(duì)永磁同步電機(jī)的研究較有特色[6]。20世紀(jì)80年代中期，德國(guó)學(xué)者M(jìn).Depenbrock教授首次提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論[7]。一經(jīng)提出，就以其新穎的控制思想，簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性受到各國(guó)學(xué)者的普遍關(guān)注，他們?cè)诶碚撎接懞蛯?shí)驗(yàn)研究上都做了大量的工作，提出了多種的控制方案。德國(guó)采用的是六邊形磁鏈控制方案，側(cè)重于大功率領(lǐng)域的運(yùn)用。日本學(xué)者I.Takahashi教授提出近似圓形磁鏈的控制方案，專注于中小功率高性能調(diào)速領(lǐng)域的研究[8-9]。美國(guó)學(xué)者T.G.Habetler主要致力于將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)汽車牽引中，他的研究重點(diǎn)放在如何在全速度范圍內(nèi)有效控制轉(zhuǎn)矩，他提出的無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制法克服了”Bang-Bang”控制開(kāi)關(guān)頻率可變的缺點(diǎn)。在我國(guó)，太原科技大學(xué)韓如成教授對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了相關(guān)理論及應(yīng)用研究[10]。變結(jié)構(gòu)控制出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代,由前蘇聯(lián)學(xué)者伊邁亞諾夫(Emelyanov)[11]和烏特金(Utkin)[12-13]提出。經(jīng)歷了50余年的發(fā)展,已形成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究分支,成為自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種一般的設(shè)計(jì)方法。80年代以來(lái),變結(jié)構(gòu)控制理論研究和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的階段。表現(xiàn)在研究對(duì)象更為廣泛，系統(tǒng)復(fù)雜度更高。同時(shí),智能控制也被應(yīng)用于滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。北京航空航天大學(xué)的劉金琨教授以及清華大學(xué)的孫富春教授對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)理論做了大量的工作[14-15]?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)理論在電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的早期應(yīng)用主要在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在交流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在外環(huán)的速度、位置等物理量的控制；由于其復(fù)雜性，在內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)矩與磁鏈調(diào)節(jié)方面的應(yīng)用并不多。在國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)的賈洪平博士對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩控制作了較為深入相關(guān)工作。因此，研究永磁同步電機(jī)DTC先進(jìn)控制策略，改善電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能，具有重大的理論意義與實(shí)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車的發(fā)展在1837年，由英國(guó)人羅伯特·戴維森用一次電池作動(dòng)力發(fā)明的電動(dòng)汽車，并沒(méi)有列入國(guó)際的確認(rèn)范圍。世界上第一輛電動(dòng)汽車于1881年誕生，發(fā)明人為法國(guó)工程師古斯塔夫·特魯夫，這是一輛用鉛酸電池為動(dòng)力的三輪車。在1900年，美國(guó)公路上38%是電動(dòng)車，22%是汽油車，40%是蒸汽機(jī)車。足可見(jiàn)得電動(dòng)汽車歷史之悠久。但由于其比能量低導(dǎo)致的續(xù)航能力差等問(wèn)題，它在歷史的潮流中被內(nèi)燃機(jī)汽車所淘汰。而在21世紀(jì)以來(lái)，由于能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題，電動(dòng)汽車再一次走到臺(tái)前，不僅成為了環(huán)保主義者嚴(yán)重的救世主，也成為了各國(guó)相繼投入巨額研發(fā)資金的香餑餑。2014年，全球電動(dòng)車銷量已突破30萬(wàn)大關(guān)，銷量靠前的有日本日產(chǎn)汽車公司推出的聆風(fēng)電動(dòng)汽車、日本三菱公司推出的歐藍(lán)德電動(dòng)車、特斯拉公司推出的特斯拉ModelS電動(dòng)車、通用公司推出的沃藍(lán)達(dá)電動(dòng)車等。我們可以看到，日本與美國(guó)在電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)化上走在世界的前列。中國(guó)新能源汽車品牌突飛猛進(jìn)，在國(guó)際電動(dòng)車市場(chǎng)越來(lái)越有存在感，比亞迪汽車公司推出的比亞迪秦電動(dòng)車銷量達(dá)14747輛。此外吉利、眾泰和北汽均有不俗表現(xiàn)。中國(guó)電動(dòng)汽車重大科技項(xiàng)目的研發(fā)開(kāi)始于2001年，經(jīng)過(guò)兩個(gè)五年計(jì)劃的科技攻關(guān)以及奧運(yùn)、世博、“十城千輛”示范平臺(tái)的應(yīng)用拉動(dòng)，中國(guó)電動(dòng)汽車從無(wú)到有，技術(shù)處于持續(xù)進(jìn)步狀態(tài)，建立起了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電動(dòng)汽車全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)體系。在“十二五”規(guī)劃綱要中，新能源汽車被列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，提出插電式混合動(dòng)力車、純電動(dòng)汽車以及燃料電池汽車共同發(fā)展，并使其商業(yè)化程度提高，真正為人民造福，未來(lái)中國(guó)電動(dòng)汽車將迎來(lái)新一輪的高速發(fā)展。由于電動(dòng)汽車配套設(shè)施的建設(shè)無(wú)法跟上等問(wèn)題，電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展收到了一定的制約，傳統(tǒng)能源汽車仍然占據(jù)市場(chǎng)的絕對(duì)主導(dǎo)地位。1.3直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的發(fā)展直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)夠發(fā)展起來(lái)的又一新型電機(jī)控制技術(shù)，由于其控制思想明晰，轉(zhuǎn)矩控制性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車應(yīng)用等方面已經(jīng)取代了矢量控制技術(shù)。在于智能控制技術(shù)以及DSP技術(shù)相結(jié)合后，其具有了更為廣泛的應(yīng)用價(jià)值。與矢量控制技術(shù)相比，DTC技術(shù)主要有有以下特點(diǎn)[16]：（1）它將交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型變換到定子靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行分析，無(wú)需簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)際控制效果，不再將關(guān)注重點(diǎn)放在電流與磁鏈的控制效果上。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向采用定子磁鏈，利用定子電阻就可以觀測(cè)出來(lái)。矢量控制磁場(chǎng)定向采用轉(zhuǎn)子磁鏈，需同時(shí)知道電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻和電感才能觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁鏈。由于轉(zhuǎn)子電阻與電感參數(shù)會(huì)隨外界環(huán)境而變化，較少參數(shù)有利于控制的優(yōu)化。（3）與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制關(guān)注轉(zhuǎn)矩的實(shí)際控制效果，而并不關(guān)注磁鏈來(lái)是否是光滑的圓形磁鏈。它把轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值與轉(zhuǎn)矩給定做滯環(huán)比較，把轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的范圍內(nèi)，波動(dòng)范圍由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器控制。（4）借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，沒(méi)有通常的PWM信號(hào)發(fā)生器。1.4引入離散空間電壓調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制D.Casadei等人利用離散空間矢量調(diào)制技術(shù)減小了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。原理是增加一個(gè)控制周期中所發(fā)電壓矢量個(gè)數(shù)，即可增加電動(dòng)機(jī)的控制次數(shù)，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。它采用逆變器輸出的六個(gè)工作電壓矢量和兩個(gè)零矢量，以離線方式及一定占空比合成輸出離散空間電壓矢量。西安交通大學(xué)的王斌博士提出了提出一種基于空間電壓矢量調(diào)制的表貼式永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法。通過(guò)計(jì)算在一個(gè)控制周期內(nèi)能同時(shí)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩誤差和磁鏈誤差的空間電壓矢量，得出基于磁鏈與轉(zhuǎn)矩的無(wú)差拍控制方法。相對(duì)于傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，該方法能夠明顯減小磁鏈與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且保持了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。不同于傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，該方法由于使用了空間電壓矢量調(diào)制，系統(tǒng)在不同工況下具有恒定的開(kāi)關(guān)頻率[17]。1.5利用滑模變結(jié)構(gòu)控制改進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)變結(jié)構(gòu)控制常稱滑模變結(jié)構(gòu)控制，其本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制。其非線性表現(xiàn)在控制的不連續(xù)。此控制策略的特殊之處在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不固定，在控制過(guò)程中，根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有目的的不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定滑模面運(yùn)動(dòng)。20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)學(xué)者伊邁亞諾夫(Emelyanov)和烏特金(Utkin)提出了變結(jié)構(gòu)控制的概念，基本研究對(duì)象為二階線性系統(tǒng)。1962-1970年間，各學(xué)者開(kāi)始研究高階線性系統(tǒng)，但仍受限于單輸入單輸出系統(tǒng)。1977年，V.I.Utkin發(fā)表了一篇有關(guān)變結(jié)構(gòu)方面的綜述文章[15]，提出了變結(jié)構(gòu)控制與滑模控制的方法。此后，各國(guó)學(xué)者研究滑模變結(jié)構(gòu)控制的興趣逐漸增加，開(kāi)始研究多維滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)和多維滑動(dòng)模態(tài)，對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的研究由規(guī)范空間擴(kuò)展到更一般的狀態(tài)空間中[18-20]。用傳統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計(jì)多輸入對(duì)象的變結(jié)構(gòu)控制器時(shí)，會(huì)導(dǎo)致求解高階聯(lián)立不等式組，一般不能得到解析解，無(wú)法求出控制器。為克服這一困難，我國(guó)的高為炳院士提出了“趨近律”方法。這一方法可將傳統(tǒng)方法中求解高階不等式組的問(wèn)題簡(jiǎn)化為求解一個(gè)簡(jiǎn)單的代數(shù)方程，并通過(guò)適當(dāng)選取方程中的函數(shù)和參數(shù)，可得到各種不同控制性能的變結(jié)構(gòu)控制器。這一方法從全新的途徑解決了多變量系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，簡(jiǎn)明有效，易于設(shè)計(jì)，且可推廣到多種類型的復(fù)雜系統(tǒng)，并提供了削弱系統(tǒng)抖振，保證控制過(guò)程品質(zhì)的有效手段，成為變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)的一種新的基本途徑[21]。浙江大學(xué)的賈洪平博士提出了一種基于滑模變結(jié)構(gòu)理論的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制。仿真研究表明，這種新型控制策略極大地減小了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中因滯環(huán)調(diào)節(jié)造成的磁鏈與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。同時(shí)，又保持了直接轉(zhuǎn)矩控制具有的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[22]。1.6本文主要研究?jī)?nèi)容本課題旨在設(shè)計(jì)和研究一種基于高性能DSP的PMSM變結(jié)構(gòu)DTC系統(tǒng)，針對(duì)傳統(tǒng)DTC存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題提出轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，在完成系統(tǒng)總體控制策略設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的硬件電路及軟件的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PMSM變結(jié)構(gòu)DTC系統(tǒng)達(dá)到既定的研究目標(biāo)，基本能夠滿足小型電動(dòng)車輛電機(jī)控制的需要。論文的具體內(nèi)容安排如下：第一章為緒論，首先介紹電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)DTC驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究背景及意義，其次介紹國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車的發(fā)展，然后介紹永磁同步電機(jī)DTC技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后詳細(xì)闡述利用空間矢量調(diào)制以及滑模變結(jié)構(gòu)控制改進(jìn)永磁同步電機(jī)DTC。第二章首先介紹永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，其次詳細(xì)闡述傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)的基本原理以及轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，分析傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)DTC存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因。重點(diǎn)研究轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)方法，從滑模面的選取、控制律的設(shè)計(jì)以及抖振的消除三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的闡述，分析轉(zhuǎn)矩滑模控制器對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的改善。第三章在Matlab/Simulink仿真軟件下分別對(duì)傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)DTC系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)DTC系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)比分析兩種系統(tǒng)的仿真結(jié)果，驗(yàn)證轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)控制方法的正確性。第四章對(duì)基于轉(zhuǎn)矩滑變結(jié)構(gòu)控制的永磁同步電機(jī)DTC控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),采用TI公司的高性能DSP-MS320F28335為主控制芯片詳細(xì)闡述系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。在建立的基于轉(zhuǎn)矩滑變結(jié)構(gòu)控制的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)DTC系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。最后，對(duì)全文研究?jī)?nèi)容進(jìn)行總結(jié)并展望。第二章永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC基本原理本章將研究永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，重點(diǎn)分析永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其坐標(biāo)變換，分析傳統(tǒng)DTC控制器的基本原理及其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)原因，最后將闡明滑模變結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型并構(gòu)造滑模變結(jié)構(gòu)控制律。2.1傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)DTC控制2.1.1永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型(1)式中——d、q軸電壓——d、q軸電流——d、q軸電感——定子電阻——永磁體磁鏈——轉(zhuǎn)子電角速度——微分算子將式（1）進(jìn)行坐標(biāo)變換(2)可得坐標(biāo)系中的電壓方程(3)式中——坐標(biāo)系中的變量——坐標(biāo)系中的變量——軸與軸的夾角記式(3)加號(hào)后部分為擴(kuò)展反電勢(shì)，記為：(4)將式（3）用狀態(tài)方程表示，有(5)坐標(biāo)系中定子磁鏈方程為：(6)電磁轉(zhuǎn)矩方程為：(7)式中p——極對(duì)數(shù)磁鏈幅值平方為：(8)2.1.2傳統(tǒng)DTC基本原理傳統(tǒng)正弦波永磁同步電機(jī)DTC需要對(duì)電機(jī)磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。在1997年首次提出的方案中，磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器如下所示[23-25]：(9)(10)式中——定子磁鏈幅值給定——實(shí)際磁鏈幅值——磁鏈調(diào)節(jié)器輸出(值為1選擇增加磁鏈幅值的空間電壓矢量，值為0選擇減小磁鏈幅值的空間電壓矢量。)——轉(zhuǎn)矩給定值——實(shí)際轉(zhuǎn)矩值——轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出(值為1選擇增加轉(zhuǎn)矩的空間電壓矢量，值為-1選擇減小轉(zhuǎn)矩的空間電壓矢量。)根據(jù)不同磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出結(jié)果，扇區(qū)判斷結(jié)果得出各空間電壓矢量。根據(jù)得到的各空間電壓矢量來(lái)構(gòu)建空間電壓矢量選擇表?？臻g電壓矢量表如下：表2.1空間電壓矢量表11-101-1在應(yīng)用時(shí)，則根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出結(jié)果和扇區(qū)判斷結(jié)果反向查詢空間電壓矢量選擇表即可確定所需要的空間電壓矢量。永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC控制框圖如下圖所示：圖2.1永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC框圖2.1.3傳統(tǒng)DTC轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析直接轉(zhuǎn)矩控制低速性能不佳的主要原因有以下三個(gè)[26]：(1)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，傳統(tǒng)的磁鏈觀測(cè)方法難以準(zhǔn)確觀測(cè)定子磁鏈，導(dǎo)致空間電壓矢量的選擇不準(zhǔn)，影響轉(zhuǎn)矩的實(shí)際控制效果。(2)傳統(tǒng)空間電矢量開(kāi)關(guān)選擇表引起的電流品質(zhì)下降，滯環(huán)控制器所固有的滯環(huán)特性都會(huì)影響轉(zhuǎn)矩控制效果。(3)低速時(shí)，速度檢測(cè)器的相對(duì)誤差變大，影響系統(tǒng)性能。對(duì)采用開(kāi)關(guān)選擇表引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行分析。直接轉(zhuǎn)矩控制在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)選擇最優(yōu)的空間矢量，且其作用時(shí)間以控制周期為單位。此方法可以使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能更優(yōu)良，但當(dāng)電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，此方法會(huì)使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)變得十分嚴(yán)重。要進(jìn)一步提高DTC的低速性能，必須優(yōu)化開(kāi)關(guān)選擇模式，或者對(duì)傳統(tǒng)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制方案進(jìn)行變革。2.2轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)2.2.1滑模變結(jié)構(gòu)理論變結(jié)構(gòu)控制常稱滑模變結(jié)構(gòu)控制。變結(jié)構(gòu)控制常稱滑模變結(jié)構(gòu)控制，其本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制。其非線性表現(xiàn)在控制的不連續(xù)。此控制策略的特殊之處在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不固定，在控制過(guò)程中，根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有目的的不斷變化，在一定特性下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，即所謂的“滑模運(yùn)動(dòng)”?；瑒?dòng)軌跡是可設(shè)計(jì)的，與系統(tǒng)參數(shù)及擾動(dòng)無(wú)關(guān)，所以系統(tǒng)會(huì)具有較好的穩(wěn)定性。滑動(dòng)模態(tài)定義及其數(shù)學(xué)表達(dá)如下：在一般情況下，在系統(tǒng)(11)的狀態(tài)空間中，有一個(gè)超曲面，如下圖所示圖2.2滑模面示意圖狀態(tài)空間被分為上半部分，下半部分。在切換面上的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)有三種情況：運(yùn)動(dòng)到切換面附近時(shí)，穿越該點(diǎn)而過(guò)(點(diǎn)A)——通常點(diǎn)；運(yùn)動(dòng)到切換面附近時(shí)，由該點(diǎn)向切換面兩邊離開(kāi)(點(diǎn)B)——起始點(diǎn)；運(yùn)動(dòng)到切換面附近時(shí)，由切換面兩邊趨向于該點(diǎn)(點(diǎn)C)——終止點(diǎn)。在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，若切換面上某區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)都是終止點(diǎn)，則該區(qū)域?qū)⑽锌拷搮^(qū)域的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)，并迫使其到該區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)。該區(qū)域稱為“滑模動(dòng)態(tài)區(qū)”，常稱“滑模區(qū)”。系統(tǒng)在滑模區(qū)中的運(yùn)動(dòng)就叫做“滑模運(yùn)動(dòng)”。根據(jù)滑動(dòng)模態(tài)區(qū)內(nèi)均為終止點(diǎn)這一條件，當(dāng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到切換面附近時(shí)，必有及(12)或者(13)將式(11)寫成(14)此不等式給出了一個(gè)形如(15)的李亞普洛夫函數(shù)的必要條件。由于函數(shù)式(13)在切換面鄰域內(nèi)是正定的，按照式(12)，的導(dǎo)數(shù)是負(fù)半定的，也就是說(shuō)在附近函數(shù)是一個(gè)非增。如果式(12)成立，則式(13)是一個(gè)李亞普洛夫函數(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定于條件?；瑒?dòng)模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制的基本問(wèn)題在于確定切換函數(shù)，則設(shè)有一控制(16)求解控制函數(shù)(17)其中，，使得：式(15)成立，則滑動(dòng)模態(tài)存在；在切換面以外的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)都將于有限的時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面，即滿足可達(dá)性；滑模運(yùn)動(dòng)的魯棒性及控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)得到保證；2.2.2控制律分析與設(shè)計(jì)滑?？刂破髟O(shè)計(jì)一般分為兩個(gè)步驟：設(shè)計(jì)切換函數(shù)，即確定切換面，驗(yàn)證其存在性。根據(jù)可達(dá)性要求、穩(wěn)定性要求及動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求求取控制律，最終獲得理想的滑模控制器。本文基于指數(shù)趨近律設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器。采用連續(xù)函數(shù)替代開(kāi)關(guān)函數(shù)來(lái)減小滑模切換時(shí)的高頻抖動(dòng)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控器的運(yùn)行過(guò)程是通過(guò)判別切換函數(shù)S符號(hào)，不斷切換控制量并由此改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而使得狀態(tài)變量運(yùn)動(dòng)到事先設(shè)計(jì)好的滑模面上，然后系統(tǒng)沿滑模面面運(yùn)動(dòng)。永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC也是對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，定義切換函數(shù)(18)式中——轉(zhuǎn)矩設(shè)定值——磁鏈平方設(shè)定值——實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩將式(16)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得(19)將式(7)、(8)中和帶入式(17)，再結(jié)合式(5)和(6)，可得矩陣方程(20)式中,——系數(shù)矩陣——控制律系數(shù)矩陣且，其中(21)(22)取李亞普洛夫函數(shù)(23)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得(24)為保證，且滑?？刂破骶哂辛己玫膭?dòng)態(tài)品質(zhì)，所以本文選取指數(shù)趨近律設(shè)計(jì)滑?？刂破?，可取控制律(25)式中：、、、由此求得坐標(biāo)系下電壓空間矢量。將式(23)中的代入(22)，得(26)因和符號(hào)相同，故(27)同理可知(28)由此證明，從而證明了滑模面的存在性和可達(dá)性，證明了系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)滿足和，保證了磁鏈和轉(zhuǎn)矩能跟蹤給定值。另外，將式(16)代入式(11)，可得(29)從式（20）可看出，系統(tǒng)在由遠(yuǎn)離切換面處趨近切換面時(shí)，越大，則趨近切換面的速度越快，能有效加快正常運(yùn)動(dòng)段的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，則可選擇較大的；同理，系統(tǒng)在靠近切換面處趨近切換面，越小，趨近切換面速度越慢，則能有效減小滑模切換引起的系統(tǒng)抖動(dòng)，則可選擇較小的。根據(jù)上述內(nèi)容，證明了該滑模面的存在，保證了磁鏈與轉(zhuǎn)矩的跟蹤性能，且該滑模變結(jié)構(gòu)控制器能根據(jù)切換函數(shù)距滑模切換面的距離自動(dòng)調(diào)節(jié)趨近速度，有效地保證了動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，并減小滑模切換時(shí)的系統(tǒng)抖動(dòng)。2.2.3抖振的消除滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抖振本質(zhì)原因是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)切換動(dòng)作所造成控制不連續(xù)。由于離散系統(tǒng)的不連續(xù)性，其滑動(dòng)模態(tài)只是一種“準(zhǔn)滑動(dòng)模態(tài)”。它的切換動(dòng)作并不恰好發(fā)生在切換面上，而是發(fā)生在以原點(diǎn)為頂點(diǎn)的一個(gè)錐形面上。錐角越大，則抖振幅度越大。本文采用連續(xù)函數(shù)近似法解決抖振問(wèn)題，采用連續(xù)函數(shù)來(lái)代替切換函數(shù)(30)其中；，若選取過(guò)小，則對(duì)減小系統(tǒng)抖動(dòng)不利；若選取過(guò)大，則動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。故應(yīng)合理選取。2.3本章小結(jié)本章從永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC出發(fā)，介紹了永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型、永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC基本原理以及低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因，并結(jié)合滑模變結(jié)構(gòu)理論介紹了基于滑模變結(jié)構(gòu)理論的DTC控制原理。第三章永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC仿真研究本章將在上章理論分析的基礎(chǔ)上，利用MATLAB/Simulink自帶模塊庫(kù)建立傳統(tǒng)DTC仿真模型，并在其基礎(chǔ)上利用滑模變結(jié)構(gòu)控制器進(jìn)行改進(jìn)，建立永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩控制器。仿真平臺(tái)搭建完畢后，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)矩突變實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。3.1永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC仿真模型的建立3.1.1永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC仿真模型圖3.1永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC仿真模型圖在Simulink下，通過(guò)模塊子系統(tǒng)封裝建立模型是很簡(jiǎn)單且直接的。系統(tǒng)主要由強(qiáng)電與弱點(diǎn)部分組成。其中強(qiáng)電部分包含直流電源、永磁同步電機(jī)、逆變器和傳感器，利用SimPowerSystems模型庫(kù)進(jìn)行搭建。系統(tǒng)的控制部分包含坐標(biāo)變換(Clarke變換與Park變換)、磁鏈與轉(zhuǎn)矩計(jì)算、定子磁鏈扇區(qū)判斷、磁鏈和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、電壓矢量開(kāi)關(guān)選擇表、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)等模塊。下面詳細(xì)控制部分各模塊的結(jié)構(gòu)。1．坐標(biāo)變換模塊在功率恒定的前提下，按照磁動(dòng)勢(shì)相等原理，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)能夠等效轉(zhuǎn)化成到兩相繞組。把從坐標(biāo)系到坐標(biāo)系的變換，稱為變換，即Clarke變換，其變換式如下：(24)表示從坐標(biāo)系到坐標(biāo)系的變換矩陣，則可表達(dá)為：(25)則可在SIMULINK中建立如下模塊：圖3.2Clarke變換模塊仿真結(jié)構(gòu)圖本模塊利用Clarke變換將三相電流轉(zhuǎn)換到靜止直角坐標(biāo)系。從圖中可得，，，即滿足Clarke變換。2．磁鏈與轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊經(jīng)變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的和，根據(jù)根據(jù)計(jì)算公式，，利用得到的和計(jì)算出磁鏈，在SIMULINK中建立如下模塊：圖3.3磁鏈計(jì)算模塊仿真結(jié)構(gòu)圖再根據(jù)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式，利用靜止坐標(biāo)電流以及定子磁鏈計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩，在SIMULINK中建立如下模塊：圖3.4轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊仿真結(jié)構(gòu)圖3．扇區(qū)判斷模塊將定子磁場(chǎng)分為六個(gè)扇區(qū)，~為第一扇區(qū)，并以此類推。根據(jù)定子磁鏈?zhǔn)噶克谏葏^(qū)來(lái)判斷，則在SIMULINK中建立如下模塊：圖3.5扇區(qū)判斷模塊仿真結(jié)構(gòu)圖4．磁鏈與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模型傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)磁鏈與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)均采用滯環(huán)式調(diào)節(jié)，則在SIMULINK中建立如下雙滯環(huán)調(diào)節(jié)模塊。根據(jù)轉(zhuǎn)矩與磁鏈給定與實(shí)時(shí)值的差值作為調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器輸入：圖3.6磁鏈與轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)模塊仿真結(jié)構(gòu)圖5．電壓矢量開(kāi)關(guān)選擇表模塊電壓矢量選擇是根據(jù)轉(zhuǎn)矩與磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)和磁鏈扇區(qū)號(hào)選出合適的電壓矢量。仿真采用開(kāi)關(guān)表，利用矩陣實(shí)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)函數(shù)的以、以及磁鏈扇區(qū)號(hào)為輸入，輸出為選擇的電壓矢量，再經(jīng)過(guò)脈沖發(fā)生函數(shù)，得到作用于逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)。則在SIMULINK中建立如下模塊：圖3.7電壓矢量開(kāi)關(guān)選擇模塊仿真結(jié)構(gòu)圖6．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)，則在SIMULINK中建立如下模型：圖3.8轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊仿真結(jié)構(gòu)圖輸入為轉(zhuǎn)速給定與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，比例增益為，積分增益為=0.1，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值。其比例控制項(xiàng)決定控制器的響應(yīng)速度；積分控制項(xiàng)的作用是消去穩(wěn)態(tài)誤差，以達(dá)到穩(wěn)態(tài)后速度無(wú)靜差的控制效果。3.1.2永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC仿真模型在永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC模型上，將PI模塊換為SMC模塊再加上SVPWM模塊即可構(gòu)成永磁同步電機(jī)滑變結(jié)構(gòu)DTC仿真模型。圖3.9永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC仿真模型圖1．滑模變結(jié)構(gòu)模塊SMC模塊利用S函數(shù)編寫模塊，代碼如下：functionsys=mdlOutputs(t,x,f)r=t;dr=0;ddr=0;x(1)=f(1);x(2)=f(2);e=r-x(1);de=-x(r-x(1)2);b=1732.0272;a=0.4795;c=250;k=5;if(abs(r-x(1))>=1)ep=10;elseif(abs(r-x(1))>=0.01&&abs(r-x(1))<1)ep=10*abs(r-x(1));elseif(abs(r-x(1))<0.01)ep=0.5;ends=de+c*e;slaw=-ep*abs(r-x(1))*sign(s)-k*s;M=2;ifM==2ut=1/b*(c*(dr-x(2))+ddr-slaw+a*x(2));endsys(1)=ut;其工作方式為，根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制器模型求出滑模面s=de+c*e，再根據(jù)位置誤差e=r-x(1)求得滑模增益ep，最后結(jié)合滑模面方程與滑模增益求得其輸出補(bǔ)償。2．SVPWM模塊由上述滑模變結(jié)構(gòu)控制器求得修正后的轉(zhuǎn)矩值，再結(jié)合所在扇區(qū)及實(shí)時(shí)磁鏈值求得修正后的。得到后，利用SVPWM模塊生成空間電壓矢量。SVPWM模塊如下：圖3.10SVPWM模塊仿真結(jié)構(gòu)圖該模塊由四個(gè)子組成模塊：扇區(qū)判斷模塊、電壓作用時(shí)間計(jì)算模塊、切換時(shí)刻計(jì)算模塊以及PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊。其子模塊如下：N1為扇區(qū)判斷模塊圖3.11SVPWM模塊扇區(qū)判斷子模塊本子模塊的作用是根據(jù)計(jì)算出參考電壓所在扇區(qū)，即下一個(gè)電壓空間矢量所在扇區(qū)。N2為相鄰電壓作用時(shí)間計(jì)算模塊圖3.12SVPWM模塊相鄰電壓作用時(shí)間計(jì)算子模塊本子模塊的作用是根據(jù)計(jì)算出不同扇區(qū)兩相鄰電壓的作用時(shí)間與，從而制定各開(kāi)關(guān)器件的通斷順序及通斷時(shí)刻。有：(26)N3為開(kāi)關(guān)器件切換時(shí)刻計(jì)算模塊圖3.13SVPWM模塊開(kāi)關(guān)器件切換時(shí)刻計(jì)算子模塊本子模塊的作用是利用不同扇區(qū)兩相鄰電壓的作用時(shí)間與，根據(jù)以下公式：制定各開(kāi)關(guān)器件的通斷順序及通斷時(shí)刻。N4為PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊圖3.14SVPWM模塊PWM信號(hào)產(chǎn)生子模塊根據(jù)、、控制各開(kāi)關(guān)器件的切換時(shí)間。3.2永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC仿真結(jié)果分析由上述可知，本文所采用的永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)DTC控制器而來(lái)。用滑模變結(jié)構(gòu)控制器取代了轉(zhuǎn)速閉環(huán)中傳統(tǒng)PI控制器。其轉(zhuǎn)矩、磁鏈響應(yīng)效果分析如下。電機(jī)運(yùn)行后，在時(shí)給電機(jī)轉(zhuǎn)速，讓電機(jī)在空載情況下高速運(yùn)行；在給電機(jī)加的負(fù)載；然后在時(shí)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速為，讓電機(jī)低速運(yùn)行。相關(guān)仿真圖形如下：(a)傳統(tǒng)DTC定子磁鏈軌跡(b)滑模變結(jié)構(gòu)DTC定子磁鏈軌跡圖3.16定子磁鏈軌跡比較(a)傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線(b)滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖3.17轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線比較對(duì)比可知，傳統(tǒng)DTC控制系統(tǒng)的磁鏈軌跡不光滑，幅值不穩(wěn)定，有較為明顯的磁鏈脈動(dòng)。而滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)定子磁鏈軌跡則較為光滑，幅值穩(wěn)定，響應(yīng)速度快。對(duì)比轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線可知，由于存在轉(zhuǎn)矩滯環(huán)，傳統(tǒng)DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的振蕩，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也較大。相比較而言，滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)始終有較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，響應(yīng)性能得到很大的改善。以上針對(duì)電機(jī)高速和低速運(yùn)行時(shí)做了轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)的仿真，下面針對(duì)電機(jī)低速運(yùn)行進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，電機(jī)轉(zhuǎn)速給定為，啟動(dòng)突加轉(zhuǎn)矩為，轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?，時(shí)轉(zhuǎn)矩又突變?yōu)椋抡娼Y(jié)果如下圖所示：(a)低速運(yùn)行時(shí)傳統(tǒng)DTC定子磁鏈軌跡(b)低速運(yùn)行時(shí)滑模變結(jié)構(gòu)DTC定子磁鏈軌跡圖3.18低速運(yùn)行定子磁鏈軌跡比較(a)低速時(shí)傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線(b)低速時(shí)滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖3.19低速運(yùn)行定子轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線比較由圖對(duì)比可知，在轉(zhuǎn)矩突加突減時(shí)，傳統(tǒng)DTC響應(yīng)特性較差，且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，相比較而言，滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)響應(yīng)特性好，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。通過(guò)對(duì)比可知，滑模變結(jié)構(gòu)控制器在具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。3.3本章小結(jié)本章在Simulink仿真平臺(tái)下分別建立了永磁電機(jī)傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)的仿真模型和永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC仿真模型，對(duì)模型各子模塊的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后對(duì)兩種直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真并分析對(duì)比。由仿真結(jié)果可知，相比于永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC，永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制系統(tǒng)降低了電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并使得定子磁鏈軌跡更光滑，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也變快，且在低速時(shí)仍保持良好的控制性能，結(jié)果證明了滑模變結(jié)構(gòu)控制方法的正確性，并具有可行性。第四章永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)本章將在上章模擬仿真的基礎(chǔ)上，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟硬件分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F28335DSP做為主控器，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟硬件平臺(tái)的搭建。4.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制系統(tǒng)硬件電路主要由五個(gè)部分組成：主電路（逆變電路）、隔離電路、檢測(cè)電路（含采樣電路）、控制電路、電源電路。圖4.1系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖由于現(xiàn)有IGBT集成模塊功能已相當(dāng)完善，不僅易于控制，而且具有過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能。所以主電路采用了IPM集成模塊。控制電路部分采用了工業(yè)級(jí)DSP控制板，具有穩(wěn)定性好，可靠性高。采用這些現(xiàn)有的模塊縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，節(jié)約了試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。4.1.1主電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用三菱公司生產(chǎn)的智能功率模塊PM300CVA060，外接充電電阻、濾波電容作為主電路。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下[29]：圖4.2主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖充點(diǎn)電阻的主要功能是防止上電時(shí)，電容充電引起瞬間電流過(guò)大對(duì)電池組的沖擊。當(dāng)檢測(cè)到電容兩端電壓超出預(yù)設(shè)值時(shí)，繼電器斷開(kāi)，接入充點(diǎn)電阻。濾波電容是為了保證IPM模塊獲得平滑的直流電壓。IPM模塊內(nèi)部電路圖如下[30]：圖4.3IPM模塊內(nèi)部電路圖4.1.2驅(qū)動(dòng)隔離電路設(shè)計(jì)于DSP輸出的PWM脈沖信號(hào)高電平為3.3V，而IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為15V，所以需要加上IPM驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)，我們還需要隔離電源，消除控制電源端共模噪聲以及系統(tǒng)故障時(shí)可靠關(guān)斷IGBT三方面能力。則本文采用快速光耦HCPL4504，電路如下：圖4.4IPM模塊驅(qū)動(dòng)隔離電路圖IPM故障時(shí)fault為低電平，驅(qū)動(dòng)電路輸出始終為高電平，則IPM內(nèi)部IGBT在系統(tǒng)故障時(shí)可關(guān)斷。當(dāng)IPM正常工作時(shí)，PWM為高電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電路輸出為低電平，IPM內(nèi)部IGBT導(dǎo)通；PWM為低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)電路輸出為高電平，IPM內(nèi)部IGBT關(guān)斷。4.1.3檢測(cè)電路設(shè)計(jì)1.交流電流檢測(cè)電路本文通過(guò)LEM霍爾電流傳感器LT505-S來(lái)進(jìn)行a相、b相電流采樣，并通過(guò)硬件電路對(duì)、兩相電流求和并取反得到。a相電流檢測(cè)電路如下：圖4.5交流電流檢測(cè)電路圖采樣電阻將霍爾電流傳感器輸出的0~100mA交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為-3~+3V交流電壓信號(hào)，經(jīng)濾波和電平移動(dòng)，得到0~3V交流電壓，用于DSP采樣。DDI用于鉗制輸出電壓在0~3V間。2.直流電流檢測(cè)電路在本系統(tǒng)中，電機(jī)線電壓要參與定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩的辨識(shí)，但由于直接檢測(cè)電機(jī)線電壓有較大難度，則采用直流母線電壓結(jié)合三相PWM的調(diào)制信號(hào)還原三相電壓的方法實(shí)現(xiàn)定子線電壓的檢測(cè)。電路如下：圖4.6直流電流檢測(cè)電路圖由于被測(cè)量為直流量，所以轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后無(wú)需改變電平。3.電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置檢測(cè)電路本文采用單霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速及位置。外圍電路設(shè)計(jì)如下：圖4.7轉(zhuǎn)速與位置檢測(cè)外圍電路圖通過(guò)高速光耦實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換及電氣隔離，輸入到DSP編碼器接口。電機(jī)霍爾信號(hào)如下：圖4.8霍爾傳感器工作波形圖圖4.9電機(jī)位置檢測(cè)示意圖本文采用單霍爾元件測(cè)量電平均角速度，霍爾脈沖信號(hào)為高低電平均占，若忽略安裝誤差，則輸出的霍爾脈沖信號(hào)上升沿對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置0，下降沿對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，則，為兩次跳變間時(shí)間間隔。則，據(jù)此對(duì)位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。4.1.4最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文采用TMS320F28335作為主控芯片，它具有以下特點(diǎn)[24]：1.采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，工作頻率高達(dá)150MHz，實(shí)時(shí)運(yùn)算能力強(qiáng)。1.9V/1.8V內(nèi)核，3.3VI/O設(shè)計(jì)，控制器的功耗得到降低。內(nèi)部高性能的32位CPU(TMS320Cx)，IEEE-754單精度浮點(diǎn)單元(FPU)。哈佛(Harvard)總線結(jié)構(gòu)?？墒褂肅/C++和匯編語(yǔ)言高效編程。2.256K×16閃存，34K×16SARAM，1K×16的一次性可編程（OTP存）ROM，8K×16的支持軟件引導(dǎo)模式和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)表的引導(dǎo)ROM。3.支持鎖相環(huán)(PLL)的比率變換，具有片載振蕩器，安全裝置定時(shí)器模塊。4.GPIO0到GPIO63引腳可以連接到八個(gè)外部?jī)?nèi)核中斷其中的一個(gè)，可支持全部58個(gè)外設(shè)中斷的外設(shè)中斷擴(kuò)展(PIE)塊，128位安全密鑰/鎖。5.有3個(gè)32位的CPU定時(shí)器，其中定時(shí)器0與定時(shí)器1可用作一般定時(shí)器，當(dāng)系統(tǒng)使用DSP/BIOS時(shí)，定時(shí)器2則用于DSP/BIOS的片上實(shí)時(shí)系統(tǒng)。若系統(tǒng)不使用DSP/BIOS，定時(shí)器2可用作一般定時(shí)器。6.多達(dá)18個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)輸出，6個(gè)支持150ps微邊界定位(MEP)分辨率的高分辨脈寬調(diào)制模塊（HRPWM）；6個(gè)事件捕捉輸入，2個(gè)正交編碼器接口，8個(gè)32位定時(shí)器(6個(gè)ePWM以及2個(gè)eQEP)。7.串行端口外設(shè)為2個(gè)控制器局域網(wǎng)(CAN)模塊，3個(gè)SCI(UART)模塊，2個(gè)McBSP模塊（可配置為SPI），1個(gè)SPI模塊，1個(gè)內(nèi)部集成電路(I2C)總線。8.16通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，80ns轉(zhuǎn)換時(shí)間，2x8通道輸入復(fù)用器,2個(gè)采樣保持，可支持單一/同步轉(zhuǎn)換，可使用內(nèi)部或者外部基準(zhǔn)最小系統(tǒng)主要包括：外部晶振（30MHz）、DSP供電電源濾波電路、上電復(fù)位電路。其最小系統(tǒng)電路圖如下：圖4.9核心板電路圖4.10仿真接口電路4.1.5電源電路設(shè)計(jì)1.檢測(cè)電路供電電源圖4.11檢測(cè)電路供電電源電路圖MDA為不可控單相整流橋，通過(guò)正負(fù)三端穩(wěn)壓芯片輸出電壓。正常工作時(shí)三端穩(wěn)壓芯片溫度較高，需加散熱片。2.最小系統(tǒng)供電電源由于TMS320F28335需要1.8V及3.3V電壓，則采用TI公司的雙固定輸出電源芯片TPS70351PWP，此芯片在輸入電壓為2.7~6V時(shí)可穩(wěn)定輸出1.8~3.3V電壓。圖4.12最小系統(tǒng)供電模塊3.IPM供電電源IPM模塊上橋臂需要三組供電模塊，下橋臂共用一組供電模塊，則需要四組獨(dú)立供電模塊，電路圖如下：圖4.12IPM四路單獨(dú)供電模塊電路4.1.6通訊接口電路設(shè)計(jì)本文采用精簡(jiǎn)modbus通訊協(xié)議的RS485通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，利用TMS320F28335的SCI接口設(shè)計(jì)帶隔離的RS485接口，電路如下：圖4.13RS485接口電路4.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)本軟件在TI公司提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CodeComposerStudio下實(shí)現(xiàn)，該平臺(tái)支持頭文件、庫(kù)文件、源文件調(diào)用，并可直接進(jìn)行編譯與調(diào)試，其界面如下：圖4.14系統(tǒng)總體軟件框圖4.2.1總體軟件框圖系統(tǒng)主要分為實(shí)時(shí)控制任務(wù)與非實(shí)時(shí)控制任務(wù)。實(shí)時(shí)控制任務(wù)包括速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩與磁鏈環(huán)、信號(hào)檢測(cè)與采樣、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、PWM模塊、故障檢測(cè)與保護(hù)等；非實(shí)時(shí)任務(wù)主要包括通訊、模數(shù)量給定等。系統(tǒng)總體框圖如下：圖4.14系統(tǒng)總體軟件框圖上電運(yùn)行后，首先對(duì)變量、對(duì)各復(fù)用引腳以及外圍電路進(jìn)行初始化，再完成非實(shí)時(shí)控制任務(wù)，通過(guò)ePWM中斷完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，利用定時(shí)器0完成通訊中斷任務(wù)。4.2.2主程序設(shè)計(jì)主程序流程圖如下：圖4.15主程序流程圖其中初始化程序主要包括寄存器初始化及外圍電路初始化，其程序流程圖如下：圖4.16初始化程序流程圖4.2.3中斷程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中斷程序包括ePWM中斷和通訊中斷，ePWM中斷的主要功能是完成實(shí)時(shí)算法的運(yùn)算即滑模變結(jié)構(gòu)算法運(yùn)算、SVPWM算法實(shí)現(xiàn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、PWM寄存器比較值的給定以及故障檢測(cè)保護(hù)實(shí)現(xiàn)等功能；通訊中斷采用RS485串行總線，協(xié)議為Modbus。1.ePWM中斷程序設(shè)計(jì)圖4.17ePWM中斷程序2.通訊中斷程序設(shè)計(jì)圖4.18通訊中斷程序4.3本章小結(jié)本章建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了相關(guān)軟硬件。采用了TI公司的TMS320F28335DSP做為主控器，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟硬件平臺(tái)的搭建。在硬件設(shè)計(jì)上，給出了較為完善的檢測(cè)電路以及供電電路，為IPM提供了良好的硬件環(huán)境。在軟件設(shè)計(jì)方面采取模塊化設(shè)計(jì)，明晰了設(shè)計(jì)思路，加快了軟件設(shè)計(jì)進(jìn)度。第五章永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC實(shí)驗(yàn)研究5.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由三部分構(gòu)成：DSP控制板、驅(qū)動(dòng)板、感應(yīng)電機(jī)。DSP控制板采用現(xiàn)有DSP控制板，主要包括DSP及其外圍接口電路、外接LED顯示屏、信號(hào)濾波處理電路等。驅(qū)動(dòng)板上主要包括IPM模塊，電源模塊，直交流檢測(cè)模塊等。實(shí)驗(yàn)用永磁同步電機(jī)參數(shù)如下：參數(shù)額定功率額定電壓定子電阻極對(duì)數(shù)減速比連接方法標(biāo)定值50KW150V0.0046Ω25星形連接5.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)矩突變實(shí)驗(yàn)本文對(duì)該系統(tǒng)分別進(jìn)行高、低速轉(zhuǎn)矩突變實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試該系統(tǒng)的磁鏈控制效果、響應(yīng)快慢，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大小。首先驗(yàn)證其高速運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的可行性，設(shè)定轉(zhuǎn)速為,負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)為由突變?yōu)?，運(yùn)行結(jié)果如下：(a)高速運(yùn)行時(shí)定子磁鏈與運(yùn)行軌跡(b)高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖4.19高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩突變實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)，定子磁鏈運(yùn)行軌跡平滑，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，可見(jiàn)滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制系統(tǒng)是可行的，且在高速下具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性。再驗(yàn)證其低速運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的可行性，設(shè)定轉(zhuǎn)速為，負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)為由突變?yōu)椋\(yùn)行結(jié)果如下：(a)低速運(yùn)行時(shí)定子磁鏈與運(yùn)行軌跡(b)低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖4.19低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩突變實(shí)驗(yàn)結(jié)果與高速運(yùn)行時(shí)相比較，定子磁鏈運(yùn)行軌跡略微粗糙，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)略有加大，總體效果較為優(yōu)良。則可證明在低速運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)同樣具有可行性。5.3本章小結(jié)本文在搭建好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了高低速兩種情況下的轉(zhuǎn)矩突變實(shí)驗(yàn)，通過(guò)定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證滑模變結(jié)構(gòu)控制器的優(yōu)越性。結(jié)果證明了該永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制器具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。驗(yàn)證了滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制的可行性。結(jié)論與展望本文對(duì)電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)要求其轉(zhuǎn)矩控制快速、準(zhǔn)確、可靠。但永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC存在低速運(yùn)行轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文引入了滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，對(duì)永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制進(jìn)行了研究，具體工作如下：本文詳細(xì)闡述了電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程與發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其需改進(jìn)處進(jìn)行了深入且詳盡的分析，并對(duì)已采用的改進(jìn)方法做了概括與總結(jié)。分析了永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)DTC存在的低速運(yùn)行轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較為嚴(yán)重的原因，并提出了利用滑模變結(jié)構(gòu)理論改進(jìn)傳統(tǒng)DTC的方法。在Simulink仿真平臺(tái)下，建立了傳統(tǒng)DTC模型與滑模變結(jié)構(gòu)DTC模型，并對(duì)其進(jìn)行了模擬仿真以及對(duì)比。建立了電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)，詳細(xì)闡述了各模塊硬件電路的工作原理，給出了軟件各模塊的程序流程圖，并在電機(jī)高低速狀態(tài)下分別作了轉(zhuǎn)矩突變實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制器具有可行性，其動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能均較好。由于學(xué)術(shù)水平、時(shí)間等方面的限制，本文有相當(dāng)多不足之處，希望從以下幾個(gè)方面來(lái)完善：滑模變結(jié)構(gòu)控制律設(shè)計(jì)需加以改進(jìn)，來(lái)解決變結(jié)構(gòu)控制所固有的抖振問(wèn)題，一旦解決，其在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用可以更為廣泛。無(wú)速度傳感器技術(shù)可以大大簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可靠性加強(qiáng)，并可節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)，應(yīng)用前景十分廣闊。參考文獻(xiàn)李學(xué)兵，邱長(zhǎng)軍，王少力等.綠色汽車的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向.現(xiàn)代機(jī)械.2005.6:76-78曹秉剛.中國(guó)電動(dòng)汽車技術(shù)新進(jìn)展.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào).2007.01張文亮，武斌等.我國(guó)純電動(dòng)汽車的發(fā)展方向及能源供給模式的探討.\o"紫色刊名為\“中國(guó)知網(wǎng)\”獨(dú)家出版刊物"電網(wǎng)技術(shù).2009.02彭海濤，何志偉，余海闊.電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)的發(fā)展分析.微電機(jī),2010.6TakayukiMizuno,YasuoYanagibash.iHiroshiShimizu,NewDriveSystemforElectricVehicle[C].Proc.OfEVS-13.Osa-kaJapan,1996:70-77.王書賢，

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