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

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文)湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)第頁第一章緒論1.1課題的研究背景與意義近年來，隨著各國政府對環(huán)境、資源問題的高度重視以及人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，各國政府對電動汽車的研發(fā)投入越來越多，人們對于電動汽車的需求量也越來越大[1-3]。電動汽車高性能驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的關(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。通過合理設(shè)計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。上述特點使得永磁同步電機(jī)成為電動汽車用驅(qū)動電機(jī)的研究熱點[4]。日本的TakayukiMizuno教授等對電動汽車用永磁同步電機(jī)作了大量相關(guān)工作[5]，在國內(nèi)，武漢理工大學(xué)對永磁同步電機(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，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動、靜態(tài)特性受到各國學(xué)者的普遍關(guān)注，他們在理論探討和實驗研究上都做了大量的工作，提出了多種的控制方案。德國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)用到電動汽車牽引中，他的研究重點放在如何在全速度范圍內(nèi)有效控制轉(zhuǎn)矩，他提出的無差拍預(yù)測控制法克服了”Bang-Bang”控制開關(guān)頻率可變的缺點。在我國，太原科技大學(xué)韓如成教授對直接轉(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,已形成了一個相對獨立的研究分支,成為自動控制系統(tǒng)的一種一般的設(shè)計方法。80年代以來,變結(jié)構(gòu)控制理論研究和實際應(yīng)用進(jìn)入了一個新的階段。表現(xiàn)在研究對象更為廣泛，系統(tǒng)復(fù)雜度更高。同時,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。在國內(nèi)，浙江大學(xué)的賈洪平博士對滑模變結(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用價值。1.2國內(nèi)外電動汽車的發(fā)展在1837年，由英國人羅伯特·戴維森用一次電池作動力發(fā)明的電動汽車，并沒有列入國際的確認(rèn)范圍。世界上第一輛電動汽車于1881年誕生，發(fā)明人為法國工程師古斯塔夫·特魯夫，這是一輛用鉛酸電池為動力的三輪車。在1900年，美國公路上38%是電動車，22%是汽油車，40%是蒸汽機(jī)車。足可見得電動汽車歷史之悠久。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，由于能源短缺、環(huán)境污染等問題，電動汽車再一次走到臺前，不僅成為了環(huán)保主義者嚴(yán)重的救世主，也成為了各國相繼投入巨額研發(fā)資金的香餑餑。2014年，全球電動車銷量已突破30萬大關(guān)，銷量靠前的有日本日產(chǎn)汽車公司推出的聆風(fēng)電動汽車、日本三菱公司推出的歐藍(lán)德電動車、特斯拉公司推出的特斯拉ModelS電動車、通用公司推出的沃藍(lán)達(dá)電動車等。我們可以看到，日本與美國在電動車產(chǎn)業(yè)化上走在世界的前列。中國新能源汽車品牌突飛猛進(jìn)，在國際電動車市場越來越有存在感，比亞迪汽車公司推出的比亞迪秦電動車銷量達(dá)14747輛。此外吉利、眾泰和北汽均有不俗表現(xiàn)。中國電動汽車重大科技項目的研發(fā)開始于2001年，經(jīng)過兩個五年計劃的科技攻關(guān)以及奧運、世博、“十城千輛”示范平臺的應(yīng)用拉動，中國電動汽車從無到有，技術(shù)處于持續(xù)進(jìn)步狀態(tài)，建立起了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電動汽車全產(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)，提出插電式混合動力車、純電動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，未來中國電動汽車將迎來新一輪的高速發(fā)展。由于電動汽車配套設(shè)施的建設(shè)無法跟上等問題，電動汽車的產(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)市場的絕對主導(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，在電動汽車應(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)用價值。與矢量控制技術(shù)相比，DTC技術(shù)主要有有以下特點[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，無需簡化數(shù)學(xué)模型。直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)對電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩實際控制效果，不再將關(guān)注重點放在電流與磁鏈的控制效果上。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向采用定子磁鏈，利用定子電阻就可以觀測出來。矢量控制磁場定向采用轉(zhuǎn)子磁鏈，需同時知道電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻和電感才能觀測出轉(zhuǎn)子磁鏈。由于轉(zhuǎn)子電阻與電感參數(shù)會隨外界環(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)矩的實際控制效果，而并不關(guān)注磁鏈來是否是光滑的圓形磁鏈。它把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定做滯環(huán)比較，把轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的范圍內(nèi)，波動范圍由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器控制。（4）借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，沒有通常的PWM信號發(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。原理是增加一個控制周期中所發(fā)電壓矢量個數(shù)，即可增加電動機(jī)的控制次數(shù)，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動。它采用逆變器輸出的六個工作電壓矢量和兩個零矢量，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。通過計算在一個控制周期內(nèi)能同時補償轉(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)矩的無差拍控制方法。相對于傳統(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，并且保持了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點。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，在控制過程中，根據(jù)實時狀態(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)定滑模面運動。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，基本研究對象為二階線性系統(tǒng)。1962-1970年間，各學(xué)者開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?？刂频姆椒ā４撕?，各國學(xué)者研究滑模變結(jié)構(gòu)控制的興趣逐漸增加，開始研究多維滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)和多維滑動模態(tài)，對滑模變結(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)計多輸入對象的變結(jié)構(gòu)控制器時，會導(dǎo)致求解高階聯(lián)立不等式組，一般不能得到解析解，無法求出控制器。為克服這一困難，我國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題簡化為求解一個簡單的代數(shù)方程，并通過適當(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)計問題，簡明有效，易于設(shè)計，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，保證控制過程品質(zhì)的有效手段，成為變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計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。同時，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[22]。1.6本文主要研究內(nèi)容本課題旨在設(shè)計和研究一種基于高性能DSP的PMSM變結(jié)構(gòu)DTC系統(tǒng)，針對傳統(tǒng)DTC存在的轉(zhuǎn)矩脈動問題提出轉(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)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的硬件電路及軟件的設(shè)計，并進(jìn)行相關(guān)實驗，實驗結(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，首先介紹電動汽車永磁同步電機(jī)DTC驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究背景及意義，其次介紹國內(nèi)外電動汽車的發(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)矩脈動的原因。重點研究轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計方法，從滑模面的選取、控制律的設(shè)計以及抖振的消除三個方面進(jìn)行詳細(xì)的闡述，分析轉(zhuǎn)矩滑?？刂破鲗D(zhuǎn)矩脈動的改善。第三章在Matlab/Simulink仿真軟件下分別對傳統(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，對比分析兩種系統(tǒng)的仿真結(jié)果，驗證轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)控制方法的正確性。第四章對基于轉(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,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)計和軟件設(shè)計。在建立的基于轉(zhuǎn)矩滑變結(jié)構(gòu)控制的電動汽車永磁同步電機(jī)DTC系統(tǒng)的實驗平臺，在實驗平臺上進(jìn)行相關(guān)的實驗研究，并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。最后，對全文研究內(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)加號后部分為擴(kuò)展反電勢，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構(gòu)建空間電壓矢量選擇表。空間電壓矢量表如下：表2.1空間電壓矢量表11-101-1在應(yīng)用時，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[26]：(1)電機(jī)低速運行時，傳統(tǒng)的磁鏈觀測方法難以準(zhǔn)確觀測定子磁鏈，導(dǎo)致空間電壓矢量的選擇不準(zhǔn)，影響轉(zhuǎn)矩的實際控制效果。(2)傳統(tǒng)空間電矢量開關(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)特性都會影響轉(zhuǎn)矩控制效果。(3)低速時，速度檢測器的相對誤差變大，影響系統(tǒng)性能。對采用開關(guān)選擇表引起的轉(zhuǎn)矩脈動進(jìn)行分析。直接轉(zhuǎn)矩控制在每一個開關(guān)周期內(nèi)選擇最優(yōu)的空間矢量，且其作用時間以控制周期為單位。此方法可以使系統(tǒng)動態(tài)性能更優(yōu)良，但當(dāng)電動機(jī)低速運行時，此方法會使得電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動變得十分嚴(yán)重。要進(jìn)一步提高DTC的低速性能，必須優(yōu)化開關(guān)選擇模式，或者對傳統(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，在控制過程中，根據(jù)實時狀態(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、高頻率的上下運動，即所謂的“滑模運動”。滑動軌跡是可設(shè)計的，與系統(tǒng)參數(shù)及擾動無關(guān)，所以系統(tǒng)會具有較好的穩(wěn)定性?；瑒幽B(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。在切換面上的運動點有三種情況：運動到切換面附近時，穿越該點而過(點A)——通常點；運動到切換面附近時，由該點向切換面兩邊離開(點B)——起始點；運動到切換面附近時，由切換面兩邊趨向于該點(點C)——終止點。在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，若切換面上某區(qū)域內(nèi)所有點都是終止點，則該區(qū)域?qū)⑽锌拷搮^(qū)域的系統(tǒng)運動點，并迫使其到該區(qū)域內(nèi)運動。該區(qū)域稱為“滑模動態(tài)區(qū)”，常稱“滑模區(qū)”。系統(tǒng)在滑模區(qū)中的運動就叫做“滑模運動”。根據(jù)滑動模態(tài)區(qū)內(nèi)均為終止點這一條件，當(dāng)運動點運動到切換面附近時，必有及(12)或者(13)將式(11)寫成(14)此不等式給出了一個形如(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，也就是說在附近函數(shù)是一個非增。如果式(12)成立，則式(13)是一個李亞普洛夫函數(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定于條件?；瑒幽B(tài)變結(jié)構(gòu)控制的基本問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，則滑動模態(tài)存在；在切換面以外的運動點都將于有限的時間內(nèi)到達(dá)切換面，即滿足可達(dá)性；滑模運動的魯棒性及控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)得到保證；2.2.2控制律分析與設(shè)計滑?？刂破髟O(shè)計一般分為兩個步驟：設(shè)計切換函數(shù)，即確定切換面，驗證其存在性。根據(jù)可達(dá)性要求、穩(wěn)定性要求及動態(tài)品質(zhì)要求求取控制律，最終獲得理想的滑?？刂破?。本文基于指數(shù)趨近律設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制器。采用連續(xù)函數(shù)替代開關(guān)函數(shù)來減小滑模切換時的高頻抖動。滑模變結(jié)構(gòu)控器的運行過程是通過判別切換函數(shù)S符號，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)變量運動到事先設(shè)計好的滑模面上，然后系統(tǒng)沿滑模面面運動。永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC也是對磁鏈和轉(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——實時轉(zhuǎn)矩將式(16)對時間求導(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)對時間求導(dǎo)得(24)為保證，且滑?？刂破骶哂辛己玫膭討B(tài)品質(zhì)，所以本文選取指數(shù)趨近律設(shè)計滑?？刂破鳎扇】刂坡?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，越大，則趨近切換面的速度越快，能有效加快正常運動段的動態(tài)響應(yīng)過程，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，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調(diào)節(jié)趨近速度，有效地保證了動態(tài)響應(yīng)性能，并減小滑模切換時的系統(tǒng)抖動。2.2.3抖振的消除滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抖振本質(zhì)原因是因為開關(guān)切換動作所造成控制不連續(xù)。由于離散系統(tǒng)的不連續(xù)性，其滑動模態(tài)只是一種“準(zhǔn)滑動模態(tài)”。它的切換動作并不恰好發(fā)生在切換面上，而是發(fā)生在以原點為頂點的一個錐形面上。錐角越大，則抖振幅度越大。本文采用連續(xù)函數(shù)近似法解決抖振問題，采用連續(xù)函數(shù)來代替切換函數(shù)(30)其中；，若選取過小，則對減小系統(tǒng)抖動不利；若選取過大，則動態(tài)響應(yīng)緩慢，影響系統(tǒng)的動態(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。仿真平臺搭建完畢后，對其進(jìn)行轉(zhuǎn)矩突變實驗，并對結(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，通過模塊子系統(tǒng)封裝建立模型是很簡單且直接的。系統(tǒng)主要由強(qiáng)電與弱點部分組成。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，按照磁動勢相等原理，旋轉(zhuǎn)磁場能夠等效轉(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)計算公式，，利用得到的和計算出磁鏈，在SIMULINK中建立如下模塊：圖3.3磁鏈計算模塊仿真結(jié)構(gòu)圖再根據(jù)轉(zhuǎn)矩計算公式，利用靜止坐標(biāo)電流以及定子磁鏈計算電磁轉(zhuǎn)矩，在SIMULINK中建立如下模塊：圖3.4轉(zhuǎn)矩計算模塊仿真結(jié)構(gòu)圖3．扇區(qū)判斷模塊將定子磁場分為六個扇區(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)矩與磁鏈給定與實時值的差值作為調(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)器的輸出信號和磁鏈扇區(qū)號選出合適的電壓矢量。仿真采用開關(guān)表，利用矩陣實現(xiàn)。開關(guān)函數(shù)的以、以及磁鏈扇區(qū)號為輸入，輸出為選擇的電壓矢量，再經(jīng)過脈沖發(fā)生函數(shù)，得到作用于逆變器的開關(guān)信號。則在SIMULINK中建立如下模塊：圖3.7電壓矢量開關(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。其比例控制項決定控制器的響應(yīng)速度；積分控制項的作用是消去穩(wěn)態(tài)誤差，以達(dá)到穩(wěn)態(tài)后速度無靜差的控制效果。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)及實時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)圖該模塊由四個子組成模塊：扇區(qū)判斷模塊、電壓作用時間計算模塊、切換時刻計算模塊以及PWM信號產(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)計算出參考電壓所在扇區(qū)，即下一個電壓空間矢量所在扇區(qū)。N2為相鄰電壓作用時間計算模塊圖3.12SVPWM模塊相鄰電壓作用時間計算子模塊本子模塊的作用是根據(jù)計算出不同扇區(qū)兩相鄰電壓的作用時間與，從而制定各開關(guān)器件的通斷順序及通斷時刻。有：(26)N3為開關(guān)器件切換時刻計算模塊圖3.13SVPWM模塊開關(guān)器件切換時刻計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間與，根據(jù)以下公式：制定各開關(guān)器件的通斷順序及通斷時刻。N4為PWM信號產(chǎn)生模塊圖3.14SVPWM模塊PWM信號產(chǎn)生子模塊根據(jù)、、控制各開關(guān)器件的切換時間。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)是通過改進(jìn)傳統(tǒng)DTC控制器而來。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)運行后，在時給電機(jī)轉(zhuǎn)速，讓電機(jī)在空載情況下高速運行；在給電機(jī)加的負(fù)載；然后在時改變電機(jī)轉(zhuǎn)速為，讓電機(jī)低速運行。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。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)運行時轉(zhuǎn)矩脈動也較大。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，響應(yīng)性能得到很大的改善。以上針對電機(jī)高速和低速運行時做了轉(zhuǎn)矩穩(wěn)態(tài)的仿真，下面針對電機(jī)低速運行進(jìn)行動態(tài)仿真，電機(jī)轉(zhuǎn)速給定為，啟動突加轉(zhuǎn)矩為，轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?，時轉(zhuǎn)矩又突變?yōu)椋抡娼Y(jié)果如下圖所示：(a)低速運行時傳統(tǒng)DTC定子磁鏈軌跡(b)低速運行時滑模變結(jié)構(gòu)DTC定子磁鏈軌跡圖3.18低速運行定子磁鏈軌跡比較(a)低速時傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線(b)低速時滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖3.19低速運行定子轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線比較由圖對比可知，在轉(zhuǎn)矩突加突減時，傳統(tǒng)DTC響應(yīng)特性較差，且轉(zhuǎn)矩脈動較大，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)矩脈動小。通過對比可知，滑模變結(jié)構(gòu)控制器在具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點的同時，還具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。3.3本章小結(jié)本章在Simulink仿真平臺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，對模型各子模塊的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后對兩種直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真并分析對比。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，并使得定子磁鏈軌跡更光滑，動態(tài)響應(yīng)也變快，且在低速時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)的實現(xiàn)本章將在上章模擬仿真的基礎(chǔ)上，搭建實驗平臺。對實驗平臺軟硬件分別進(jìn)行設(shè)計。本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320F28335DSP做為主控器，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟硬件平臺的搭建。4.1實驗平臺硬件設(shè)計永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制系統(tǒng)硬件電路主要由五個部分組成：主電路（逆變電路）、隔離電路、檢測電路（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，而且具有過流過壓保護(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)的開發(fā)時間，節(jié)約了試驗經(jīng)費。4.1.1主電路設(shè)計本系統(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)圖充點電阻的主要功能是防止上電時，電容充電引起瞬間電流過大對電池組的沖擊。當(dāng)檢測到電容兩端電壓超出預(yù)設(shè)值時，繼電器斷開，接入充點電阻。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)動隔離電路設(shè)計于DSP輸出的PWM脈沖信號高電平為3.3V，而IGBT的驅(qū)動信號為15V，所以需要加上IPM驅(qū)動電路。同時，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)動隔離電路圖IPM故障時fault為低電平，驅(qū)動電路輸出始終為高電平，則IPM內(nèi)部IGBT在系統(tǒng)故障時可關(guān)斷。當(dāng)IPM正常工作時，PWM為高電平時驅(qū)動電路輸出為低電平，IPM內(nèi)部IGBT導(dǎo)通；PWM為低電平時驅(qū)動電路輸出為高電平，IPM內(nèi)部IGBT關(guān)斷。4.1.3檢測電路設(shè)計1.交流電流檢測電路本文通過LEM霍爾電流傳感器LT505-S來進(jìn)行a相、b相電流采樣，并通過硬件電路對、兩相電流求和并取反得到。a相電流檢測電路如下：圖4.5交流電流檢測電路圖采樣電阻將霍爾電流傳感器輸出的0~100mA交流電流信號轉(zhuǎn)化為-3~+3V交流電壓信號，經(jīng)濾波和電平移動，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，但由于直接檢測電機(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)制信號還原三相電壓的方法實現(xiàn)定子線電壓的檢測。電路如下：圖4.6直流電流檢測電路圖由于被測量為直流量，所以轉(zhuǎn)換為電壓信號后無需改變電平。3.電機(jī)轉(zhuǎn)速及位置檢測電路本文采用單霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速及位置。外圍電路設(shè)計如下：圖4.7轉(zhuǎn)速與位置檢測外圍電路圖通過高速光耦實現(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)位置檢測示意圖本文采用單霍爾元件測量電平均角速度，霍爾脈沖信號為高低電平均占，若忽略安裝誤差，則輸出的霍爾脈沖信號上升沿對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置0，下降沿對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置，則，為兩次跳變間時間間隔。則，據(jù)此對位置進(jìn)行預(yù)測。4.1.4最小系統(tǒng)設(shè)計本文采用TMS320F28335作為主控芯片，它具有以下特點[24]：1.采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，工作頻率高達(dá)150MHz，實時運算能力強(qiáng)。1.9V/1.8V內(nèi)核，3.3VI/O設(shè)計，控制器的功耗得到降低。內(nèi)部高性能的32位CPU(TMS320Cx)，IEEE-754單精度浮點單元(FPU)。哈佛(Harvard)總線結(jié)構(gòu)。可使用C/C++和匯編語言高效編程。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，安全裝置定時器模塊。4.GPIO0到GPIO63引腳可以連接到八個外部內(nèi)核中斷其中的一個，可支持全部58個外設(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32位的CPU定時器，其中定時器0與定時器1可用作一般定時器，當(dāng)系統(tǒng)使用DSP/BIOS時，定時器2則用于DSP/BIOS的片上實時系統(tǒng)。若系統(tǒng)不使用DSP/BIOS，定時器2可用作一般定時器。6.多達(dá)18個脈寬調(diào)制(PWM)輸出，6個支持150ps微邊界定位(MEP)分辨率的高分辨脈寬調(diào)制模塊（HRPWM）；6個事件捕捉輸入，2個正交編碼器接口，8個32位定時器(6個ePWM以及2個eQEP)。7.串行端口外設(shè)為2個控制器局域網(wǎng)(CAN)模塊，3個SCI(UART)模塊，2個McBSP模塊（可配置為SPI），1個SPI模塊，1個內(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)換時間，2x8通道輸入復(fù)用器,2個采樣保持，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1.檢測電路供電電源圖4.11檢測電路供電電源電路圖MDA為不可控單相整流橋，通過正負(fù)三端穩(wěn)壓芯片輸出電壓。正常工作時三端穩(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，則需要四組獨立供電模塊，電路圖如下：圖4.12IPM四路單獨供電模塊電路4.1.6通訊接口電路設(shè)計本文采用精簡modbus通訊協(xié)議的RS485通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，利用TMS320F28335的SCI接口設(shè)計帶隔離的RS485接口，電路如下：圖4.13RS485接口電路4.2實驗平臺軟件設(shè)計本軟件在TI公司提供的集成開發(fā)環(huán)境CodeComposerStudio下實現(xiàn)，該平臺支持頭文件、庫文件、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)主要分為實時控制任務(wù)與非實時控制任務(wù)。實時控制任務(wù)包括速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩與磁鏈環(huán)、信號檢測與采樣、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、PWM模塊、故障檢測與保護(hù)等；非實時任務(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行后，首先對變量、對各復(fù)用引腳以及外圍電路進(jìn)行初始化，再完成非實時控制任務(wù)，通過ePWM中斷完成實時控制任務(wù)，利用定時器0完成通訊中斷任務(wù)。4.2.2主程序設(shè)計主程序流程圖如下：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時算法的運算即滑模變結(jié)構(gòu)算法運算、SVPWM算法實現(xiàn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、PWM寄存器比較值的給定以及故障檢測保護(hù)實現(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)計圖4.17ePWM中斷程序2.通訊中斷程序設(shè)計圖4.18通訊中斷程序4.3本章小結(jié)本章建立了實驗平臺，設(shè)計了相關(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)行軟硬件平臺的搭建。在硬件設(shè)計上，給出了較為完善的檢測電路以及供電電路，為IPM提供了良好的硬件環(huán)境。在軟件設(shè)計方面采取模塊化設(shè)計，明晰了設(shè)計思路，加快了軟件設(shè)計進(jìn)度。第五章永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC實驗研究5.1實驗平臺本文設(shè)計的實驗平臺主要由三部分構(gòu)成：DSP控制板、驅(qū)動板、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、信號濾波處理電路等。驅(qū)動板上主要包括IPM模塊，電源模塊，直交流檢測模塊等。實驗用永磁同步電機(jī)參數(shù)如下：參數(shù)額定功率額定電壓定子電阻極對數(shù)減速比連接方法標(biāo)定值50KW150V0.0046Ω25星形連接5.2實驗平臺轉(zhuǎn)矩突變實驗本文對該系統(tǒng)分別進(jìn)行高、低速轉(zhuǎn)矩突變實驗，以測試該系統(tǒng)的磁鏈控制效果、響應(yīng)快慢，轉(zhuǎn)矩脈動大小。首先驗證其高速運行時系統(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\行結(jié)果如下：(a)高速運行時定子磁鏈與運行軌跡(b)高速運行時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖4.19高速運行時轉(zhuǎn)矩突變實驗結(jié)果當(dāng)系統(tǒng)高速運行時，定子磁鏈運行軌跡平滑，轉(zhuǎn)矩脈動小，可見滑模變結(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。再驗證其低速運行時系統(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)?，運行結(jié)果如下：(a)低速運行時定子磁鏈與運行軌跡(b)低速運行時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖4.19低速運行時轉(zhuǎn)矩突變實驗結(jié)果與高速運行時相比較，定子磁鏈運行軌跡略微粗糙，轉(zhuǎn)矩脈動略有加大，總體效果較為優(yōu)良。則可證明在低速運行時，該系統(tǒng)同樣具有可行性。5.3本章小結(jié)本文在搭建好的實驗平臺上進(jìn)行了高低速兩種情況下的轉(zhuǎn)矩突變實驗，通過定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線的對比來驗證滑模變結(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、靜態(tài)性能。動態(tài)響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)矩脈動小。驗證了滑模變結(jié)構(gòu)DTC控制的可行性。結(jié)論與展望本文對電動汽車用永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)DTC驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，車用電機(jī)驅(qū)動控制系統(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存在低速運行轉(zhuǎn)矩脈動較大的問題。針對這個問題，本文引入了滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，對永磁同步電機(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)闡述了電動汽車用驅(qū)動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程與發(fā)展趨勢，對其需改進(jìn)處進(jìn)行了深入且詳盡的分析，并對已采用的改進(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存在的低速運行轉(zhuǎn)矩脈動較為嚴(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仿真平臺下，建立了傳統(tǒng)DTC模型與滑模變結(jié)構(gòu)DTC模型，并對其進(jìn)行了模擬仿真以及對比。建立了電動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，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)矩突變實驗。實驗結(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，其動態(tài)、靜態(tài)性能均較好。由于學(xué)術(shù)水平、時間等方面的限制，本文有相當(dāng)多不足之處，希望從以下幾個方面來完善：滑模變結(jié)構(gòu)控制律設(shè)計需加以改進(jìn)，來解決變結(jié)構(gòu)控制所固有的抖振問題，一旦解決，其在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用可以更為廣泛。無速度傳感器技術(shù)可以大大簡化硬件設(shè)計，系統(tǒng)可靠性加強(qiáng)，并可節(jié)約研究經(jīng)費，應(yīng)用前景十分廣闊。參考文獻(xiàn)李學(xué)兵，邱長軍，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.中國電動汽車技術(shù)新進(jìn)展.西安交通大學(xué)學(xué)報.2007.01張文亮，武斌等.我國純電動汽車的發(fā)展方向及能源供給模式的探討.\o"紫色刊名為\“中國知網(wǎng)\”獨家出版刊物"電網(wǎng)技術(shù).2009.02彭海濤，何志偉，余海闊.電動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，

鄧楚南.電動汽車用電機(jī)技術(shù)研究.微電機(jī).2006.8M.Depenbrock.DirectSelfControl(DSC)ofInverter-fedInductionmotors[J].IEEETrans.PowerElectronics，1998,3(4):420-429I.Takahashi.ANewQuick-responseandHigh-efficiencyContorlStrategyofAnInductionMotor[J].IEEETrans.onInd.Application,1986,22:820-827I.TakahashiandY.Ohmori,“Highperformancedirecttorquecontrolofaninductionmachine,”IEEETrans.IndustryApplications,vol.25,no.2,pp.257-264,1989.韓如成，潘峰，智澤英.直接轉(zhuǎn)矩控制理論及應(yīng)用，電子工業(yè)出版社EmelyanovSV.VariablestructureautomaticcontrolsystemsMoscow,1967UtkinVI.Variablestructuresystemwithslidingmode.IEEETransactionsonAutomaticControl,1977,22(2):212-222V.Utkin,J.Guldner,andJ.Shi,SlidingModesinElectromechanicalSystems.London,U.K.:TaylorandFrancis,1999.劉金琨.滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真，清華大學(xué)出版社劉金琨，孫富春.滑模變結(jié)構(gòu)控制理論及其算法研究與進(jìn)展,控制理論與應(yīng)用,2007.6李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002,177-303.王斌，王躍，王兆安.空間矢量調(diào)制的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制.電機(jī)與控制學(xué)2010.6Ji-ChangLoandYa-HuiKuo,”DecoupledFuzzySliding-ModeControl”,IEEETransactionsonfuzzysystems,Vol.6(3),pp:426-435,A