電動汽車用永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計

.z.碩士學位論文電動汽車用永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計電動汽車用永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計DesignofpermanentmagnetsynchronousmotorcontrolsystemforelectricvehicleDesignofpermanentmagnetsynchronousmotorcontrolsystemforelectricvehicle作者指導教師學科專業(yè)控制工程二0一五年六月-.z.摘要本文在開場先介紹了研究電動汽車的背景及其意義，并介紹了電動汽車在國外的開展現(xiàn)狀，然后從電動汽車的燃油經(jīng)濟性，驅(qū)動性，平安性及舒適度，三個方面分析了電動汽車比其他燃料汽車存在的優(yōu)越性。電動機是電動汽車的核心部件，本文中從其驅(qū)動方式把電動機分為四大類，直流有刷電動機，永磁同步電動機，永磁無刷直流電動機和開關(guān)磁阻電動機。本章從工作原理與性能方面分析了，這四種電動機各存在的優(yōu)點和缺乏。從中得出永磁同步電動機是電動汽車比擬理想的選擇。本文剛開場介紹了永磁同步電動機PMSM的三種不同的控制方式，恒壓頻比控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制，并從三者之間比擬得出，PMSM采用直接轉(zhuǎn)矩控制DTC的方式有著比其他兩者更好的穩(wěn)定性。隨后從永磁同步電動機PMSM的構(gòu)造及其特點，分析了其優(yōu)越性，并建立數(shù)學模型，根據(jù)空間矢量坐標關(guān)系推導出PMSM的在各坐標系下DTC的原理。本章分析了定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的估算和滯環(huán)控制，通過其原理研究了開關(guān)表控制的方式，并對PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制DTC的Matlab/Simulink仿真，最終得出了DTC較其它控制方式的穩(wěn)定性。其次分析了永磁同步電機PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制DTC存在的諸多缺點，并提出基于SVM技術(shù)的SVPWM的控制方式，即空間矢量調(diào)制DTC控制策略，通過Matlab/Simulink仿真，得出SVPWM比PMSMDTC有著更好的穩(wěn)定性。TI公司推出的TMS320F2812DSP芯片的控制系統(tǒng)設(shè)計，從硬件電路的設(shè)計和軟件的設(shè)計，兩個方面研究了該芯片。DSP硬件方面包含了智能模塊的自保護特性，并設(shè)計了檢測電路，保護電路，驅(qū)動電路和CAN通信等模塊，軟件系統(tǒng)方面分析了，其初始化流程圖，接收流程圖等。關(guān)鍵詞：永磁同步電機；直接轉(zhuǎn)矩控制；DSP；SVPWMAbstractInthispaper,wefirstintroducethebackgroundandsignificanceoftheresearchofelectricvehicles,andintroducesitspresentsituationofdevelopmentathomeandabroad,andfromthefueleconomyanddriving,safetyandfort,threeaspectsanalysistheadvantagesofelectricvehiclesthanotherfuelvehiclese*ist.Asthemotorofthecoreponentsofelectricvehicles,fromthedrivemotorisdividedintofourcategories,DCbrushlessmotor,permanentmagnetsynchronousmotor,permanentmagnetbrushlessDCmotorandswitchedreluctancemotor.Thischapteranalyzestheadvantagesanddisadvantagesofthesefourmotorintheaspectsoftheworkingprincipleandperformance..ItisconcludedthatthepermanentmagnetsynchronousmotorPMSMasthecoreponentofelectricvehicle,istheidealchoiceofthemotorvehicle..Inthischapter,threedifferentcontrolmodes,constantfrequencyratiocontrol,vectorcontrolanddirecttorquecontrolofPMSMareintroduced..Andtheparisonbetweenthethree,thedirecttorquecontrolDTChasbetterthantheothertwo.Then,thestructureandcharacteristicsofPMSMareanalyzed,andtheadvantagesofPMSMPMSMareanalyzed,anditsmathematicalmodelisestablished..Accordingtothespacevectorcoordinate,themathematicalmodelofPMSMisdeducedandtheprincipleofDTCisanalyzed..Inthischapter,thestatorflu*linkageandthemagnetictorqueestimationandthehysteresiscontrolareanalyzed,andtheresearchmethodsoftheswitchingtablecontrolarestudiedbytheprinciple..TheMatlab/SimulinksimulationofthedirecttorquecontrolDTCofPMSMisdemonstrated,andtheadvantagesoftheDTCcontrolmodestabilityareproved..Secondly,thedisadvantagesofthePMSMdirecttorquecontrolDTC,theflu*linkage,thelargetorqueripple,andthepoorperformanceofthecontrolsystemareanalyzed..ThecontrolmodeofSVPWMbasedonSVMtechnologyisproposed,thatis,therealizationofthespacevectormodulationDTCcontrolstrategy..ThroughthesimulationofMatlab/Simulink,SVPWMhasbetterstabilitythanPMSM-DTC.Atlast,thedesignofthecontrolsystemofDSPTIchipisintroduced,andthedesignofthehardwarecircuitandthedesignofthesoftwarepartarestudied.Thechipisdescribedintwoaspects..DSPhardwareincludestheself-protectionofthesmartmodule,andthedetectioncircuit,protectioncircuit,drivercircuitandCANmunicationmodule.Thesoftwaresystemanalysis,anditsinitializationflowchart,receivingflowchartandsoonmanyparts.KeyWords：permanentmagnetsynchronousmotor;directtorquecontrol；DSP；SVPWM-.z.目錄摘要I1.緒論11.1論文的研究背景和意義11.2電動汽車國外開展現(xiàn)狀21.2.1電動汽車國外開展狀況21.2.2電動汽車國開展現(xiàn)狀31.3電動汽車優(yōu)越性51.3.1提高燃油經(jīng)濟性51.3.2提高驅(qū)動性51.3.3提高平安性和舒適度51.4驅(qū)動電動機的工作原理與性能比擬61.4.1直流有刷電動機61.4.2永磁同步電動機61.4.3永磁無刷直流電動機71.4.4開關(guān)磁阻電動機71.5永磁同步電動機的多種控制策略81.5.1恒壓頻比控制81.5.2矢量控制81.5.3直接轉(zhuǎn)矩控制81.6本論文的的主要工作及安排91.6.1主要研究工作91.6.2論文安排92.電動汽車PMSM系統(tǒng)研究92.1永磁同步電機92.1.1永磁同步電動機的構(gòu)造和特點102.1.2永磁同步電動機的數(shù)學模型112.2直接轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)142.2.1定子磁鏈的估算和滯環(huán)控制152.2.2電磁轉(zhuǎn)矩的估算與滯環(huán)控制162.2.3開關(guān)表的研究172.3直接轉(zhuǎn)矩控制MATLAB仿真183.SVPWM研究253.1引言253.2SVM技術(shù)用于永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制253.2.2SVPWM技術(shù)研究263.2.3電壓幅值研究293.2.4電壓矢量的分區(qū)313.3SVPWM的MATLAB仿真324.TMS320F2812DSP控制系統(tǒng)的設(shè)計354.1控制系統(tǒng)整體設(shè)計354.2硬件電路設(shè)計364.2.1DSP最小系統(tǒng)設(shè)計364.2.2智能功率模塊的自保護特性394.2.3檢測設(shè)計電路414.3軟件系統(tǒng)設(shè)計455.工作總結(jié)與展望505.1總結(jié)505.2展望50參考文獻51-.z.1.緒論本章節(jié)開場論述了電動汽車的研究背景，意義及其開展的現(xiàn)狀，并對傳統(tǒng)汽車與電動汽車的燃油經(jīng)濟性，驅(qū)動性，平安性及舒適度進展比照，證明了電動汽車的優(yōu)先性，另外把多種驅(qū)動電動機在工作原理和性能進展比擬，得出永磁同步電動機更適合電動汽車，并分析了永磁同步電動機的三種控制策略，證明永磁同步電動機，直接轉(zhuǎn)矩控制是最比擬好的選擇。1.1論文的研究背景和意義[1]人類活動對我們周圍的環(huán)境造成了一定的影響，這樣就出現(xiàn)了環(huán)境問題，環(huán)境問題對我們的生產(chǎn)和生活也有影響，目前人類知道的環(huán)境污染有主要有多種：全球變暖，酸雨，淡水資源危機，土地荒漠化，物種加速滅絕，有毒化學品汽油和柴油。汽車用燃料燃燒后，產(chǎn)生的尾氣中，成分非常復雜，達有100種以上，尾氣危害著人類生存安康，對人類生活的環(huán)境產(chǎn)生深遠的影響。正是由于能源與環(huán)境存在的很多問題，才使人類認識到，電動汽車應(yīng)該代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃料汽車，這樣就會對環(huán)境的改善做出奉獻。電動汽車主要是運用電能驅(qū)動，而電能是清潔能源，不會對大自然帶來，諸如溫室效應(yīng)，環(huán)境污染等問題，而且電能的利用率比傳統(tǒng)的汽車高很多。現(xiàn)在很多能源都可以轉(zhuǎn)換成電能，如水能，風能，潮汐能，等等，如假設(shè)在晚上，給電動汽車進展充電，就可以充分的利用電能。以下圖給出了汽油機車輛，柴油機車輛及電動汽車所排放的有毒有害氣體的比擬。如圖1.1圖1.1各種車輛全部有害排放物的比擬由上圖1.1可見，傳統(tǒng)的汽油，柴油汽車所排放的污染物，如CO等有害物很多，如果不經(jīng)過處理，就這樣隨便排放到我們的環(huán)境中，勢必會對我們的周圍環(huán)境帶來很大的危害，如果這些有害物質(zhì)被人類吸入的話，就會對人類的生存也會帶來危險，而且電動汽車還有一個很大的優(yōu)勢，就是不會產(chǎn)生太大的噪聲。燃油車的發(fā)動機由復雜的機械傳動裝置組成，在發(fā)動機啟動，運行，加速的環(huán)節(jié)，會造成很大的噪聲污染，而電動汽車就可以極大的防止了大噪聲的發(fā)生。1.2電動汽車國外開展現(xiàn)狀現(xiàn)代的電動汽車開展了100多年，已經(jīng)不是以前單一的技術(shù)，現(xiàn)代的電動汽車是以電池為主要動力源，驅(qū)動來源主要是電，在進入20世紀以來，人類在電力電子，自動控制等方面的技術(shù)，已經(jīng)得到了很大的開展，現(xiàn)代的電動汽車包含了各種各樣的工程技術(shù)于一身。現(xiàn)在的電動汽車主要可以分為以下幾大類型：純電動汽車，燃料電動汽車，混合動力電動汽車。電動汽車國外開展狀況在日本，美國，歐洲等許多興旺國家，人類對環(huán)境的破壞越來越嚴重，所以國家政府對燃料汽車的排放要求也越來越苛刻，因此各國政府對相關(guān)的汽車廠家也投入了很多的人力，物力，財力，來促使汽車生產(chǎn)廠家開場對電動汽車的研發(fā)投入了很多技術(shù)，并且對電動汽車的使用者采取鼓勵政策。這樣從國家，廠家，買家三方面采取相關(guān)的措施，促使電動汽車進一步的開展。(1)日本。三菱汽車公司于2009年量產(chǎn)型電動汽車的生產(chǎn)，其使用鋰離子電池屬全世界首次的。輕型汽車“i〞的車體搭載有永磁同步電動機及質(zhì)量為200kg的蓄電池組，一次充電不使用空調(diào)的情況下可以行使120km，使用空調(diào)的話可以行使100km。開場初期主要賣給公司等法人單位，2010年4月開場向個人預定銷售，如果可能的話，這將是一般駕駛員可以購入的初次的真正的電動汽車。日本汽車公司已經(jīng)在2010年后半年將其新研發(fā)的電動汽車LEAF投入市場。LEAF使用了薄板型緊合鋰離子及輸出了功率為80kw的電動機。有關(guān)電動汽車的特性還沒有完全統(tǒng)一的標準，所以比擬很難，但是可以認為和三菱的i-MiEV相比，能量裝置和功率裝置的性能應(yīng)該在其2~3倍。因此，日產(chǎn)說“可以到達和過去的汽油車同等的快速反響和駕駛舒適性〞。其發(fā)表的行使距離為充滿電情況下160km。可以說制造商在加快充電速度方面也下了很大功夫，今后如果在各地配置像汽油加油站那樣的快速充電器的話，在30min就可以將電池由0充到80%。新型汽車級公司三菱i-MiEV(2)美國。美國在很早以前就開場對電動汽車的資助，并與1976年，立法，補貼的手段刺激本國對電動汽車的開展。早在1900年美國加州已經(jīng)公布了防止大氣污染的限制性法令，其要求在隨后的幾年里，加州不斷的提高新電動車的銷售量所占的比重。正是由于美國法規(guī)的推行，促使電動汽車慢慢的生產(chǎn)和應(yīng)用，此后，美國還陸陸續(xù)推出了很多鼓勵性的政策，來促進廠家生產(chǎn)電動汽車從而加速了美國電動汽車的產(chǎn)業(yè)的進程，并且多家公司簽訂協(xié)議，一起聯(lián)合研究新型電動汽車電池。從而使鈉硫電池代替了原始的鉛酸電池。(3)歐洲。歐洲對環(huán)境污染看的很重，也對節(jié)能減排很重視，因此歐洲各國公布了相關(guān)法令，來推動電動汽車的研發(fā)，生產(chǎn)和銷售的進程。德國政府早在1994年就開場給電動汽車廠家投入補助1.5億馬克，隨后進一步UI新一代電動汽車試驗實行補助，低息貸款及減稅等優(yōu)惠的政策，早在20世紀80年代，就已經(jīng)開場了生產(chǎn)大型電動客車。德國政府目標2020年成為全球第一大電動汽車生產(chǎn)廠家。法國政府在很早就在政策上支持和鼓勵開發(fā)電動汽車技，并為電動汽車的生產(chǎn)提供很大的資助，政府和多家電動汽車企業(yè)簽署協(xié)議，共同研發(fā)，生產(chǎn)電動汽車，早在1990年標志與雪鐵龍公司就投入兩款電動汽車進展生產(chǎn)，并在20多個城市率先使用電動汽車，而且政府讓政府單位先使用電動汽車，還有可以免第一年的稅，給生產(chǎn)廠家進展一定的補助等多個好的政策。因此，法國在全世界電動汽車的使用率排在前列。英國電動汽車的生產(chǎn)技術(shù)和電動汽車的使用量最為廣泛，其歷史已經(jīng)可以追溯到到50多年以前，英國著名的汽車設(shè)計公司早在1979年就開場研發(fā)電動汽車，英國政府公布了很多惠明政策，如免收各種稅款，夜間充電電費減半等。其他國家和地區(qū)對已經(jīng)對電動汽車的技術(shù)展開研發(fā)和生產(chǎn)。電動汽車國開展現(xiàn)狀國電動汽車的研究起始也比擬早，但是規(guī)模比擬小，投入也比擬少，自20世紀80年代開場，我國政府比擬重視電動汽車的開展，于是把電動汽車的研發(fā)列入國家開展方案，于是國各高校和汽車生產(chǎn)廠家陸續(xù)開場研究電動汽車，如清華大學，華南理工大學，東風汽車公司，都開場研究工作，但與國外電動汽車還有很大差距。幸福使者電動汽車就是**清源電動車輛公司生產(chǎn)的，其運用了純電動汽車技術(shù)。它搭載優(yōu)質(zhì)電動機并裝配經(jīng)優(yōu)化匹配設(shè)計的進口電動機控制器，動力強勁，采用國頂級優(yōu)質(zhì)鉛酸蓄電池，其符合環(huán)保，節(jié)能的理想效果理念。我國首款批量生產(chǎn)的電動汽車是被譽為國純電動“第一車〞的眾泰2008EV純電動乘用車，其在最大功率，最高時速，續(xù)航里程都有了很大提升。國第二款新能源汽車是奇瑞公司推出的純電動汽車S18，其搭載了驅(qū)動系統(tǒng)，磷酸鐵鋰電池都對電動汽車的性能有所提升。S18充電電壓為民用220V電壓，充電4~6小時，可以充滿80%的電量?！俺揭惶枿暿俏覈牡谝惠v燃料電池轎車，其生產(chǎn)并驗收于2003年，連續(xù)行駛210km，最高時速為110km/h，這一燃料汽車的推出，大大縮短了同世界先進國家的差距。在混合動力轎車領(lǐng)域，我國的第一汽車集團公司生產(chǎn)的奔騰轎車是“863”F3DM，F(xiàn)6DM是比亞迪公司于2009年初推出的雙模電動轎車，在日瓦和底特律車展上一亮相，就引起國外媒體的關(guān)注，而且在關(guān)鍵動力電池技術(shù)上，領(lǐng)先于美國通用和日本豐田等品牌汽車。在鐵動力電池領(lǐng)域，獲得了很多國外專利。近幾年，我國開場重視電動汽車的研究和開發(fā)工作，在2001年，科技部把電動汽車重大專項論證會列為我國“十五〞“863”隨著國家對電動汽車行業(yè)的逐步重視，各大汽車生產(chǎn)廠家也加大對電動汽車研發(fā)和生產(chǎn)的投入，慢慢形成了一大產(chǎn)業(yè)，我國政府的政策也開場對電動汽車傾斜，各大廠商展開合作，共同研究電動汽車這一大新興產(chǎn)業(yè)。與此同時，電動汽車中的很多重要的組成局部，如電池，電機等也加大了投入和研究。我國經(jīng)過這些年的不懈努力，我國電動汽車行業(yè)也有了很大提升。1.3電動汽車優(yōu)越性電動汽車用電驅(qū)動，傳統(tǒng)的燃油汽車使用的是汽油或柴油，從轉(zhuǎn)換率來講，用電驅(qū)動有著更高的變換效率，并且電動汽車還有很多的優(yōu)點，例如，燃油經(jīng)濟性，驅(qū)動性，平安性和舒適度。另外由于環(huán)境污染越來越嚴重，成為了不容無視的問題，因此電動汽車在未來有很多的開展空間，在很大程度上，可能代替燃油汽車的開展空間。提高燃油經(jīng)濟性汽車在運行的時候，輪胎有一個向前的速度，在轉(zhuǎn)彎的時候，也有一個轉(zhuǎn)彎的旋轉(zhuǎn)力，而這相當于空轉(zhuǎn)，因此，現(xiàn)在只傳遞了60%的動力，40%在滑轉(zhuǎn)，我們汽車的轉(zhuǎn)速，就有一局部損耗在了汽車的轉(zhuǎn)彎的局部，這和實際的車速還是有很大的區(qū)別的。據(jù)此，發(fā)現(xiàn)兩者之間有很大的差異。而這個差值就會讓我們浪費很多的能量，輪胎摩擦生熱，并且會在一定程度上，對輪胎有磨損[3]，解決這個問題的方法是運動控制，檢測驅(qū)動和車輪速度，當滑轉(zhuǎn)的時候，就降低轉(zhuǎn)矩，這樣無效運動就會降低，可以將損失降低很多。使用運動控制效果確實可以顯示。另外，電動汽車是利用電來驅(qū)動的設(shè)備，而傳統(tǒng)的燃油汽車，使用的是化學能，燃燒推動發(fā)動機運轉(zhuǎn)，這樣它的轉(zhuǎn)化率很低，電直接驅(qū)動電動汽機效率很高。提高驅(qū)動性由于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機體積大，其小型化有一定難度，還需要設(shè)置冷卻和排氣系統(tǒng)，而電動汽車的發(fā)動機是電動機，體積很小，這樣電動汽車就可以安裝多個電動機，他們直接只需幾根電線來連接。這樣就可以在每個車輛安裝一臺電動機，使電動汽車四輪獨立驅(qū)動成為可能，在進入彎道時，電動汽車不同的發(fā)動機就可以用輸出不同的轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)，這樣就就提升了其驅(qū)動能力。提高平安性和舒適度電動汽車使用的電動機準確控制車輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩只需檢測電動機的電流值，而傳統(tǒng)的燃料汽車，則非常困難，如果能夠控制發(fā)動機發(fā)生的轉(zhuǎn)矩，就可以估算出車輛的運行路面狀態(tài)，并提出警示，根據(jù)路面狀況的最優(yōu)控制也可能的，這樣就會進一步設(shè)計更平安，更舒適的汽車，而傳統(tǒng)的燃料汽車則不能實現(xiàn)這樣的功能。通過燃料的比擬可以看出電動汽車的燃料費比汽油車還廉價。表1.1燃料費的比擬種類條件每千米的燃料費電動汽車夜間電費1~2日元通常電費3~10日元汽油車1L燃料行駛距離為24日元1L燃料行駛距離為12日元1L燃料行駛距離為8日元1L燃料行駛距離為6日元1.4驅(qū)動電動機的工作原理及性能比擬電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車最關(guān)鍵的子系統(tǒng)，擔負著將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，并通過傳動裝置〔或直接〕將能量傳遞到車輪進而驅(qū)動車輛按照駕駛員意志行駛的重任。電動機是驅(qū)動系統(tǒng)的心臟。電動機的選擇是否適宜決定著驅(qū)動系統(tǒng)的性能的好壞，電動汽車設(shè)計的根底是電動機的選擇。根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)對電動機的要求，可以把驅(qū)動電動機分為：直流有刷電動機，永磁同步電動機，永磁無刷直流電動機和開關(guān)磁阻電動機。在最早的時候，電動汽車選擇的電動機一般都采用直流電動機，因為它構(gòu)造簡單，本錢低，但隨著人類科學技術(shù)的開展，比直流電動機更優(yōu)越的電動機出現(xiàn)，如就交流電動機，永磁同步電動機，開關(guān)磁阻電動機等，很有可能代替直流電動機。直流有刷電動機早期電動汽車有蓄電池供電，采用的是直流有刷電動機，其主要優(yōu)點是控制簡單，技術(shù)成熟，具有優(yōu)良的控制特性，即使到現(xiàn)在仍有一些電動汽車使用直流電動機來驅(qū)動。雖然直流有刷電動機有著上面所述的優(yōu)點，但是由于其電刷及換向器，對電機的速度和負載能力有一定的影響，特別是長時間運行，直流電動機的電刷和換向器不得不進展維護，特別由于轉(zhuǎn)子的損耗，是直流電機很難散熱，對電機轉(zhuǎn)矩的提高有一定的影響，并且電機的維護麻煩，轉(zhuǎn)換效率低，由于直流電機的電刷和換向器容易產(chǎn)生火花，會生成電磁干擾，限制電機的轉(zhuǎn)速及電壓，因為上述直流有刷電動機的缺點，最新研制的電動汽車已很少使用直流有刷電動機了。永磁同步電動機永磁同步電動機〔PermanetMagnetSynchronousMotor，簡稱PMSM〕與感應(yīng)電動機不同，永磁同步電動機不需要無功勵磁電流，可以明顯的提高功率因素，并減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定運行時沒有過多的因運行時電阻損耗，進而降低了由于電流產(chǎn)生的損耗，降低了溫度的產(chǎn)生，可以降低風扇的安裝或徹底去掉風扇，從而提高了永磁同步電機的效率。永磁同步電動機要保持比擬高運行效率及輸出功率因素，只需要15%~120%較大圍就可以了，如果在負載很小的情況下，運行的效率就會更好，一樣[5]。永磁無刷直流電動機永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有換向器和電刷組成的機械接觸構(gòu)造。另外，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗；發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可在每分鐘以高達幾十萬轉(zhuǎn)的速度運行。永磁無刷直流電動機與其他電動機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動汽車中有著很好的應(yīng)用前景。永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機的功率圍較小。永磁材料在受到振動，高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降或發(fā)生退磁想象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下，操縱復雜，需要一套開展的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機的驅(qū)動系統(tǒng)造價很高。開關(guān)磁阻電動機開關(guān)磁阻電動機是一種新型電動機，具有很多明顯的特點：它的構(gòu)造比其他任何一種電動機都簡單，在電動機的轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)，繞組和永磁體等，只是在定子上有簡單的集中繞組，繞組的端部很短，沒有相間跨線，維護修理容易，因而可靠性好，轉(zhuǎn)速可達15000r/min，效率可達85%~93%開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許較高溫升。調(diào)速圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性，而且在很廣的圍保持高效率，因而，更加適合電動汽車的動力性能要求。但是，開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)比其他電動機的控制系統(tǒng)復雜一些，位置檢測器是開關(guān)磁阻電動機的關(guān)鍵器件，其性能對開關(guān)磁阻電動機的控制操作有重要影響。由于開關(guān)磁阻電動機為雙凸極構(gòu)造，不可防止地存在轉(zhuǎn)矩波動，噪聲是開關(guān)磁阻電動機最主要的缺點。但近年來的研究說明，采用合理地設(shè)計，制造和控制技術(shù)，開關(guān)磁阻電動機的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開關(guān)磁阻電動機輸出轉(zhuǎn)矩波動較大，功率變換器的直流電流波動也較大，所以在直線母線上需要裝置一個很大的濾波電容器。近年來，開關(guān)詞組電動機在電動汽車上得到一定的應(yīng)用。1.5永磁同步電動機的多種控制策略永磁同步電動機的特點是轉(zhuǎn)速與電源頻率的嚴格同步，采用變壓變頻來實現(xiàn)調(diào)速。目前，永磁同步電動機采用的控制策略主要有恒壓頻比控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。恒壓頻比控制恒壓頻比控制是一種開環(huán)控制。根據(jù)系統(tǒng)的給定，利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓uOUT進展控制，使電動機以一定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。在一些動態(tài)性能要求不高的場所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用于一般的調(diào)速系統(tǒng)中，但因其依據(jù)電動機的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動機的動態(tài)數(shù)學模型。永磁同步電動機的動態(tài)數(shù)學模型為非線性，多變量，它含有與id或iq的乘積項，因此要得到準確的動態(tài)控制性能，必須對與id或iq解耦。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動機的非線性特性。矢量控制高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要現(xiàn)代控制理論的支持，對于交流電動機，目前使用最廣泛的當屬矢量控制方案。矢量控制的根本思想是在普通的三相交流電動機上模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律，磁場定向坐標通過矢量變換，將三相交流電動機的定子電流分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這兩個分量相互垂直，彼此獨立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲得像直流電動機一樣良好的動態(tài)特性。因此矢量控制的關(guān)鍵在于對定子電流幅值和空間位置〔頻率/相位〕的控制。矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實施是對id，iq的控制。由于定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)，控制和計算都不方便。需借助復雜的坐標變換進展矢量控制，而且對電動機參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。直接轉(zhuǎn)矩控制矢量控制因其復雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動機的機械常數(shù)，所以不能迅速的響應(yīng)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。針對矢量控制的這一缺點，德國學者Depenbrock于20世紀80年代提出了一種具有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性的控制方案，即直接轉(zhuǎn)矩控制〔DTC〕。該控制方案摒棄了矢量控制中解耦的控制思想及電流反響環(huán)節(jié)，采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點式控制直接對電動機的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進展調(diào)節(jié)，具有構(gòu)造簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點。1.6本論文的的主要工作及安排主要研究工作本文從介紹電動汽車不同電機開場研究，分析了永磁同步電機的構(gòu)造，建立數(shù)學模型，研究了PMSMDTC的控制系統(tǒng)并仿真。進一步研究了基于SVM的技術(shù)控制技術(shù)，分析其原理，從而比擬出更好的控制系統(tǒng)。設(shè)計出了TMS320F論文安排第一章：緒論局部，簡單介紹了電動汽車的PMSM電機的背景及意義，并比擬分析多種電動機的構(gòu)造，原理及性能。第二章：提出了PMSM的DTC的研究，建立模型，并通過MATLAB仿真。第三章：通過研究傳統(tǒng)的DTC的缺點，提出基于SVM的SVPWM控制技術(shù)，并通過MATLAB仿真。第四章：提出了TMS320F2812DSP第五章：對本文工作的總結(jié)及展望2.電動汽車PMSM系統(tǒng)研究本章選擇永磁同步電機PMSM作為研究的對象，通過分析其構(gòu)造和特點，并建立數(shù)學模型，選擇了直接轉(zhuǎn)矩控制DTC作為主要的研究控制方式，對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進展估算和滯環(huán)控制，進展了MATLAB仿真。2.1永磁同步電機永磁同步電機〔PermanentMagnetSynchronousMotor：PMSM〕具有高效率，第轉(zhuǎn)矩脈動，高動態(tài)性能和高能量密度等特點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于大圍的調(diào)速和定位系統(tǒng)中，永磁同步電機雖然其轉(zhuǎn)子為永磁體，同時由于以功率開關(guān)器件取代了直流電機中的電刷和換向器，因此維護和耐環(huán)境方面要優(yōu)于直流電機，只在逐漸取代過去需要使用直流電機的場合。永磁同步電動機的開展得益于電力電子技術(shù)的開展，電力電子技術(shù)是弱點與強電之間的橋梁。20世紀80年代，由于釹鐵硼永磁材料的產(chǎn)生和開展，促進了永磁同步電動機的廣泛應(yīng)用。目前，永磁同步電動機正向大功率化和微型化方向開展。永磁同步電動機的構(gòu)造和特點永磁同步電動機中用永磁體替代普通同步電動機轉(zhuǎn)子中的勵磁同步繞組，不需要轉(zhuǎn)子繞組，從而省略掉了勵磁線圈以及供給勵磁繞組勵磁電流的外部電源，電刷以及安裝在轉(zhuǎn)子軸上的滑環(huán)，也免去了對電刷的定期維護[6-8]。同傳統(tǒng)電動機一致，永磁同步電動機本體由定子和轉(zhuǎn)子兩大局部組成。定子與普通感應(yīng)電動機根本一樣，主要由沖有槽孔的硅鋼片，三相繞組，機殼及端蓋等局部組成。轉(zhuǎn)子用永磁材料制成無明顯磁極的隱極式，采用適當?shù)膸缀螛?gòu)造，使磁勢波形的空間分布接近正弦波。與感應(yīng)電動機類似，多相繞組在空間上均勻地分布，在其繞組入對稱交流電時，將在氣隙中產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的圓形磁場。當轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速與定子產(chǎn)生的氣隙磁場一樣方向旋轉(zhuǎn)時，定，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁場之間無相對速度，在空間上互差*電角度〔稱為功率角〕。這兩個相對靜止的氣隙磁場相互作用，將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并拖動轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速。當改變定子電流時，定子氣隙磁場將發(fā)生變化，而會改變電磁轉(zhuǎn)矩，到達調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，帶不同負載的目的。因此，在永磁同步電動機中進展機電能量轉(zhuǎn)換的為定子電樞。同時，永磁同步電動機由于主磁極在轉(zhuǎn)子上，所以屬于旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動機。通過分析可知，永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子只能以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，否則定，轉(zhuǎn)子分別產(chǎn)生的氣隙磁場之間將會有相對速度，無法進展機電能量轉(zhuǎn)換。按照永磁體在電動機轉(zhuǎn)子上的安裝位置，永磁同步電動機根據(jù)轉(zhuǎn)子構(gòu)造可以分為三類：面貼式，插入式和嵌式。如以下圖。永磁同步電動機轉(zhuǎn)子的構(gòu)造和的安裝方法對電動機的性能影響很大，因此，面貼式，插入式和嵌式的永磁同步電動機各有其優(yōu)缺點。圖2.1PMSM轉(zhuǎn)子構(gòu)造分類面貼式永磁同步電動機構(gòu)造簡單，制造方便，轉(zhuǎn)動慣量小，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用[9]。另外，這種類型的電動機易于優(yōu)化設(shè)計，可將氣隙磁鏈設(shè)計成近似正弦分布，從而減少磁場諧涉及其負面效應(yīng)，提高了電動機的運動性能。插入式永磁同步電動機，可以充分利用轉(zhuǎn)子磁路構(gòu)造不對稱所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高點凍結(jié)的功率密度，使得電動機的動態(tài)性能較面貼式有所改善，制造也較方便，缺點是漏磁系數(shù)和制造本錢較面貼式都大。嵌式永磁同步電動機的永磁體位于轉(zhuǎn)子部，因為永磁體嵌入轉(zhuǎn)子中，永磁體去磁的危險性小，其缺點是轉(zhuǎn)子漏磁系數(shù)最大。雖然不同的永磁同步電動機轉(zhuǎn)子構(gòu)造差異很大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電動機具有如下共同特點[10]：(1)電動機電磁轉(zhuǎn)矩波動小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動態(tài)響應(yīng)快，過載能力強。當永磁同步電動機的負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，僅使電動機的功角適當變化，而轉(zhuǎn)速維持在原來的同步轉(zhuǎn)速不變，轉(zhuǎn)動局部的轉(zhuǎn)動慣量不會影響電動機轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。永磁同步電動機的瞬間最大轉(zhuǎn)矩可以到達額定轉(zhuǎn)矩的3倍以上，使得永磁同步電動機非常適合在負載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下運行。(2)高功率因素，高效率。永磁同步電動機與異步電動機相比，不需要無功勵磁電流，所以能夠得到比異步電動機高很多的功率因素，進而得到相對更小的定子電流和定子銅耗，并且永磁同步電動機在穩(wěn)態(tài)運行時沒有轉(zhuǎn)子銅耗，進而可以因總損耗降低而減小風扇容量甚至去掉風扇，從而減小相應(yīng)的風摩損耗，使它的效率比同規(guī)格的異步電動機提高2~8個百分點。(3)體積小，重量輕。近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電動機的功率密度得到了很大提高，與同容量的異步電動機相比，體積和重量都有較大的減少，使其適合應(yīng)用在很多特殊場合。(4)構(gòu)造多樣化，應(yīng)用圍廣，永磁同步電動機由于轉(zhuǎn)子構(gòu)造的多樣化，產(chǎn)生了特點和性能各異的許多品種。從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從民用到國防，從日常生活到航天航空，從簡單的電開工具到高科技產(chǎn)品，時機無所不在。(5)可靠性高。與直流電動機和電勵磁同步電動機比，沒有電刷，構(gòu)造簡單，系統(tǒng)的可靠性自然得以提高。永磁同步電動機的數(shù)學模型在分析永磁同步電動機的數(shù)學模型時，為了使分析簡化，做如下假設(shè)[11-12]：(1)電動機的定子繞組Y連接，繞組電流為對稱的三相正弦波電流；(2)定子磁場呈正弦分布，不考慮諧波與飽和的影響；(3)忽略電動機的渦流和磁滯損耗。在上述假設(shè)的根底上，建立永磁同步電動機在不同坐標系下的數(shù)學模型時，個坐標系的相互關(guān)系，如以下圖圖2.2PMSM坐標系的關(guān)系兩相靜止坐標系中的α軸與三相靜止坐標系A(chǔ)BC中的A軸重合；兩相旋轉(zhuǎn)坐標系以轉(zhuǎn)子角速度ωr在旋轉(zhuǎn)，d軸指向轉(zhuǎn)子磁鏈Ψf的方向；*y坐標系以定子磁鏈角速度ωe旋轉(zhuǎn)，*軸指向定子磁鏈Ψs的方向。d軸與A軸的夾角為θr，δ為電動機定，轉(zhuǎn)子磁鏈矢量Ψs與Ψf之間的夾角，即電動機的功角。(1)電動機在三相靜止坐標系中的數(shù)學模型在定子三相靜止坐標系A(chǔ)BC中，忽略定子繞組，其電壓和磁鏈矢量可以分別表示為式〔2.1〕和式〔2.2〕?！?.1〕式中，p為微分算法〔p=d/dt〕，ua，ub，uc分別為A,B,C三相定子電壓，ia，ib，ic分別為A，B，C三相定子電流，由于定子三相繞組完全對稱，則定子三相繞組的電阻Ra=Rb=Rc=Rs，Ψa，Ψb，Ψc為A，B，C各相繞組的磁鏈?！?.2〕式中，θr=ωrt，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，Ψra〔θr〕,Ψrb〔θr〕，Ψrc〔θr〕分別表示轉(zhuǎn)子磁鏈在A，B，C三相繞組中產(chǎn)生的交鏈。定子三相繞組的自感La=Lb=Lc=Ls,定子三相繞組互感Mab=Mac=Mbc=Mba=Mca=Mcb=Ms.轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的主磁通與A，B，C相定子繞組交鏈磁鏈和轉(zhuǎn)子磁極的位置有關(guān)。轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中的分布呈正弦形，用θr表示以A相定子繞組為基準往電動機旋轉(zhuǎn)方向取得轉(zhuǎn)子磁極的角度，則轉(zhuǎn)子磁鏈在各相繞組中的交鏈可以表示為〔2.3〕由于通入三相繞組中的電流是對稱的，因此存在ia+ib+ic=0.把此條件代入〔式2.1〕可得〔2.4〕式中，L=Ls-Ms，Ls是三相繞組的自感，Ms是三相繞組互感。(2)電動機在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的模型建立dq坐標系下的數(shù)學模型，目的是為了得到定子電壓，電流均為直流的永磁同步電動機的電壓方程式，對分析永磁同步電動機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性都十分方便。電壓回路方程可以表示為〔2.5〕假設(shè)電動機時線性的，參數(shù)不隨溫度等變化，忽略磁滯，渦流耗損，轉(zhuǎn)子無阻尼繞組，則，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中，定子磁鏈方程可以表示為〔2.6〕轉(zhuǎn)矩方程Te=np(ψdiq-ψqid)〔2.7〕電動機的運動方程為〔2.8〕(3)電動機在兩相靜止坐標系下的模型為了簡便，直接根據(jù)坐標變換理論，把永磁同步電動機在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系dq下的數(shù)學模型轉(zhuǎn)換到兩相靜止αβ坐標系下，得到如下電壓方程式：〔2.9〕同樣可得到電動機在αβ坐標系下的磁鏈方程為〔2.10〕在兩相靜止坐標系αβ下，根據(jù)定子回路的電壓平衡方程式，Ψα，Ψβ可對電壓求積分得到〔2.11〕〔2.12〕電磁轉(zhuǎn)矩為：〔2.13〕(4)電動機在磁場旋轉(zhuǎn)坐標系中的數(shù)學模型*y磁場旋轉(zhuǎn)坐標系也屬于解耦的dq旋轉(zhuǎn)坐標系，變換原理和形式與dq坐標系相似，*軸與d軸之間的夾角δ。*y坐標系與dq坐標系之間的轉(zhuǎn)變公式如式所示〔2.14〕式中的變換矩陣也適用于電壓，磁鏈矢量。*y坐標系下的磁鏈計算式為〔2.15〕由于Ψy=0，所以由式可得〔2.16〕因為Ψ*=Ψy，所以根據(jù)式可得：〔2.17〕將電流id，iq由坐標變換到電流i*，iy，代入式6.7.可得在*y坐標系中的電磁轉(zhuǎn)矩表達式：〔2.18〕對于隱極式永磁同步電動機來講，由于Ld=Lq=Ls，所以轉(zhuǎn)矩的表達式又可寫成〔2.19〕在上式中ωsr為定子磁鏈相對于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度，δ0為轉(zhuǎn)矩角變化前一時刻的初值。由上式可知，當定子磁鏈保持幅值恒定，轉(zhuǎn)矩角從-90°變化到90°時，電動機轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)矩角增大而增大，且轉(zhuǎn)矩角為90°時，轉(zhuǎn)矩到達最大。2.2直接轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)從上式可以得到，當定子磁鏈大小保持不變時，電動機的電磁鏈轉(zhuǎn)矩是隨著轉(zhuǎn)矩角的變化而變化的。因此可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩角δ來對電動機的電磁轉(zhuǎn)矩進展控制。δ角雖然不能直接調(diào)節(jié)。這是因為定子電磁時間常數(shù)比轉(zhuǎn)子的機械時間常數(shù)小，所以當迅速改變定子磁鏈旋轉(zhuǎn)方向時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化滯后于定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，進而到達改變δ角的目的。要使定子磁鏈迅速改變方向，可根據(jù)需要選擇根本電壓矢量中的一個施加給逆變器驅(qū)動電動機，從而實現(xiàn)對δ角的控制。綜上所述，永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的理論根底為：通過控制定子磁鏈幅值保持恒定，改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和方向來瞬時調(diào)整轉(zhuǎn)矩角δ，就能夠?qū)崿F(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制，這也是直接轉(zhuǎn)矩控制的根本思想。永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的構(gòu)造框圖如以下圖?？刂葡到y(tǒng)將電動機給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的誤差PI調(diào)節(jié)器輸出給定轉(zhuǎn)矩信號，磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的估算值電壓和逆變器的開關(guān)信號以及逆變器電流，在根據(jù)電動機在αβ坐標系中的數(shù)學模型計算而得；根據(jù)計算出的磁鏈分量，可以判斷出定子磁鏈所在的區(qū)段。把定子磁鏈的給定值和估算值進展比擬，并經(jīng)過滯環(huán)比擬器后，信號輸入電壓矢量查詢表，再把定子磁鏈矢量所在的區(qū)段號輸入電壓矢量查詢表。通過事先設(shè)定好的電壓矢量查詢表，確定出適當?shù)拈_關(guān)狀態(tài)，控制逆變器進而驅(qū)動永磁同步電動機[12]。圖2.3永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制框圖定子磁鏈的估算和滯環(huán)控制關(guān)于定子磁鏈幅值的估算方法和電壓矢量對定子磁鏈的作用，介紹定子磁鏈的位置角估算方法和磁鏈滯環(huán)控制。(1)定子磁鏈位置角的檢測根據(jù)電壓模型法計算求得的Ψs的幅值，求出兩相坐標系中αβ的分量，，則Ψs的位置角可以按照下式求得：〔2.20〕根據(jù)γ的值，可以判斷*一時刻定子磁鏈矢量所在的區(qū)域θn〔n=1,2,3,4,5,6,〕。(2)定子磁鏈的滯環(huán)控制如圖中總共有3個圓，圖中的虛線圓表示Ψs給定值|Ψs*|；兩個實線圓之間的折線表示定子磁鏈幅值的實際值，用|Ψs|表示，兩個實線圓的半徑差2Δ|Ψs|，即允許的誤差圍。在運行中，要求定子磁鏈|Ψs|能滿足如下關(guān)系：|Ψs*|-Δ|Ψs|≤|Ψs|≤|Ψs*|+Δ|Ψs|〔2.21〕圖2.4電壓空間矢量對定子磁鏈的滯環(huán)控制按照要求，選取欠當?shù)母倦妷菏噶?，控制定子磁鏈幅值在一定的容差圍波動。這樣，在容差圍定子磁鏈幅值形成的軌跡就是磁鏈圓軌跡[13-14]。|Ψs|的滯環(huán)控制過程中，對|Ψs*|與|Ψs|進展比擬作差。當|Ψs|-|Ψs*|≥Δ|Ψs|，即實際值比給定值大，此時滯環(huán)控制器輸出ψ=0，表示要求減小定子磁鏈的幅值；當|Ψs*|-|Ψs|≥Δ|Ψs|，即實際值比給定值小，此時滯環(huán)控制輸出ψ=1，表示要求增大定子磁鏈的幅值。電磁轉(zhuǎn)矩的估算與滯環(huán)控制在永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制過程中，要實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，首先要知道電磁轉(zhuǎn)矩的反響值，以目前的技術(shù)水平，直接測量電磁轉(zhuǎn)矩是比擬困難的，為此需要采用間接法求取電磁轉(zhuǎn)矩?？梢圆捎霉接嬎惴ㄇ蟮秒姶呸D(zhuǎn)矩的反響值，即估算值，然后把電磁轉(zhuǎn)矩的估算值與給定值送入滯環(huán)比擬器進展滯環(huán)比擬，控制電磁轉(zhuǎn)矩在允許的誤差圍波動。(1)電磁轉(zhuǎn)矩的觀測模型按照上式〔2.7〕在控制系統(tǒng)中，電磁轉(zhuǎn)矩幅值的計算模型如圖圖2.5電磁轉(zhuǎn)矩觀測模型(2)電磁轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)控制采用滯環(huán)控制器來實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。此方法要把電磁轉(zhuǎn)矩給定值Te*與估算值Te進展比擬作差。系統(tǒng)中電磁轉(zhuǎn)換滯環(huán)控制器的滯環(huán)寬度設(shè)定為2Δ|Te|，即誤差允許的圍。當Te-Te*≥Δ|Te|時，滯環(huán)控制器的輸出為τ=-1，即估算值比給定值大，表示要求減小電磁轉(zhuǎn)矩；當Te*-Te*≥Δ|Te|時，滯環(huán)控制器的輸出為τ=1，即估算值比給定值小，表示要求增大電磁轉(zhuǎn)矩；當滯環(huán)控制器輸出τ=0時，表示電磁轉(zhuǎn)矩的估算值與給定值的偏差在系統(tǒng)允許圍，不需要對電磁轉(zhuǎn)矩進展增大或減小的控制。開關(guān)表的研究在永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，當定子磁鏈矢量處于不同的區(qū)域時，可以根據(jù)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的誤差狀態(tài)來選擇不同的電壓空間矢量對逆變器進展控制[15]。具體實現(xiàn)方法是：設(shè)定開關(guān)表有三個輸入信號，定子磁鏈的偏差，電磁轉(zhuǎn)矩的偏差和定子磁鏈的區(qū)段號；設(shè)定開關(guān)表的輸出信號為根本電壓空間矢量。當開關(guān)表接收到輸入信號時，綜合三個輸入信號值，選擇對應(yīng)的電壓空間矢量，從而實現(xiàn)對逆變器的控制。通過查表就可以實時地控制定子磁鏈的增加和減小，電磁轉(zhuǎn)矩的增加和減小，確定定子磁鏈軌跡和電磁轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應(yīng)按照期望的情況進展[16]。下表給出了采用有效電壓空間矢量的逆變器開關(guān)表表2.1采用有效電壓運動矢量的逆變器開關(guān)表φτθ1θ2θ3θ4θ5θ611U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)U1(100)-1U6(101)U1(100)U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)01U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)U1(100)U2(110)-1U1(100)U2(110)U3(010)U4(011)U5(001)U6(101)不同區(qū)段電壓矢量的選擇根據(jù)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差情況來綜合選取。采用下式來決定φ和τ取值，其中Δφ和Δτ分別為定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩給定值與估算值之間的偏差?！?.22〕〔2.23〕式中，φ(k-1)和τ(k-1)表示前一個控制周期轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制狀態(tài)。2.3直接轉(zhuǎn)矩控制MATLAB仿真DTC方法實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。在得到電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩值后，即可對永磁同步電動機進展DTC。如圖121給出永磁同步電動機的DTC方案構(gòu)造框圖。它由永磁同步電動機，逆變器，轉(zhuǎn)矩估算，磁鏈估算及電壓矢量切換開關(guān)表等環(huán)節(jié)組成，其中ud，uq，id，iq為靜止〔d-q〕坐標系下電壓，電流分量。雖然對DTC的研究已取得了很大的進展，但在理論和實踐上還不夠成熟，例如，低速性能，帶負載能力等，而且他對實時性要求高，計算量大。253圖121圖2.6永磁同步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制框圖根據(jù)上述關(guān)于PMSMDTC的理論分析，可以在的環(huán)境下搭建控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖2.8所示。表2.2永磁同步電機的參數(shù)Table2.3 TheparametersofPMSM參數(shù)數(shù)值額定功率PN2000W極對數(shù)P2定子電阻Rs0.9585Ω電感L5.25mH額定轉(zhuǎn)速n2000r/min等效勵磁磁鏈Ψf0.1827Wb阻尼系數(shù)B0.3035轉(zhuǎn)動慣量J0.006325kg?控制系統(tǒng)的仿真模型如圖2.8所示，主要有PI速度調(diào)節(jié)器模塊、滯環(huán)控制器模塊、Clarke模塊、定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模塊等。本文針對上節(jié)提出的改良的新型磁鏈觀測器，給出了模塊的實現(xiàn)方法，如下圖。圖2.7PMSMDTC系統(tǒng)仿真模型對系統(tǒng)進展如下仿真研究，給定轉(zhuǎn)速和給定負載轉(zhuǎn)矩為，系統(tǒng)在時開場加速，加速到后速度到達穩(wěn)定后不再改變；轉(zhuǎn)矩在時跳變到，圖2.10中給出了定子磁鏈軌跡、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的仿真曲線及相定子電流波形系統(tǒng)穩(wěn)定后的曲線。通過觀察各個參數(shù)仿真出的曲線，實現(xiàn)驗證該方法的可行性。FOC電壓波形圖2.9DTC電壓波形Fig.2.10 Thetraditionaldirecttorquecontrolsimulationwaveforms仿真結(jié)果中可以看出系統(tǒng)從啟動到穩(wěn)定運行的整個相關(guān)參數(shù)的變化過程。在理想狀態(tài)下，DTC系統(tǒng)響應(yīng)迅速，運行較平穩(wěn)。當轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)速并未隨轉(zhuǎn)矩的變化而發(fā)生波動。PMSM-DTC具有較好動、靜態(tài)特性，但轉(zhuǎn)速仿真中實際轉(zhuǎn)矩同給定值相比存在超調(diào)，而且轉(zhuǎn)矩脈動較大。FOC電流波形DTC電流波形FOC轉(zhuǎn)矩波形DTC轉(zhuǎn)矩波形FOC轉(zhuǎn)速波形DTC轉(zhuǎn)速波形3.SVPWM研究3.1引言交流永磁同步電機作為一種最常用的電動機，廣泛的應(yīng)用在機器人，數(shù)控機床，醫(yī)療設(shè)備，輕工機械及石油化工設(shè)備中。可以通過它實現(xiàn)設(shè)備的速度或位置的精細控制。通過上一章節(jié)的研究和仿真，雖然PMSMDTC構(gòu)造簡單，磁鏈沿著軌跡運動，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，但其輸出的磁鏈，轉(zhuǎn)矩脈動都比擬大。3.2SVM技術(shù)用于永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制對于三相永磁同步電動機的三閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，目前廣泛使用磁通正弦SVPWM〔SpaceVectorPulseWidthModulation〕，該方法與電壓正弦PWM不同，它是從電動機的角度出發(fā)，著眼于如何使電動機獲得幅值恒定的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，即正弦磁通。該控制策略把逆變器和電動機看成一個整體來處理，所以模型簡單，便于微處理器實時控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動小，噪聲低，電壓利用率高的優(yōu)點，因此目前無論在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)或閉環(huán)控制系統(tǒng)中均得到了廣泛應(yīng)用。多三相逆變器的SVPWM技術(shù)是在標準的三相SVPWM的根底上，通過空間實時相移技術(shù)，使得每個獨立三相逆變器單元的SVPWM波形在空間實時相移到與電動機繞組空間相對應(yīng)的角度。使得每組SVPWM波與相對應(yīng)的電動機繞組總是保持相對靜止狀態(tài)。SVPWM二電逆變器空間電壓矢量二電平廣義逆變器空間電壓矢量PWM調(diào)制方式其本質(zhì)上對應(yīng)的開關(guān)策略[17]是：在三相電壓源逆變器的拓撲構(gòu)造中，開關(guān)狀態(tài)函數(shù)僅僅是由上橋臂功率器件的開關(guān)狀態(tài)所確定的，下橋臂的開關(guān)狀態(tài)與上橋臂是互補的。三相電壓的開關(guān)狀態(tài)是由8個根本開關(guān)狀態(tài)所確定的，其中包括6個非零矢量和兩個零矢量。矢量合成SVPEM法是由三個向量來等效合成廣義逆變器控制所需的理想空間電壓向量Vout，即Vout的幅值和相位是由一個60°區(qū)間的兩個非零向量和一個零向量共同作用的合成。這種特殊的開關(guān)策略引入了虛擬的3次諧波調(diào)制電壓，有效地提高了PWM波的線性調(diào)制區(qū)域。與傳統(tǒng)的正弦波電壓SPWM撥調(diào)制方式相比，SVPWM在輸出電壓和電流中產(chǎn)生的諧波畸變更小，并對直流母線電壓更高的利用率。其相電壓的基波有效值是傳統(tǒng)SPWM波的1.1547倍。在同樣功率輸出的情況下，可以有效縮小功率器件的尺寸或者提高系統(tǒng)的過載能力。由于矢量控制是基于直角坐標系的解耦控制方式，因此與開環(huán)控制所采用的基于幅值/相位的SVPWM方式有所不同，研究基于直角坐標系的SVPWM產(chǎn)生策略在算法的實時性與執(zhí)行效率方面對于DSP系統(tǒng)就更為重要?；谥苯亲鴺讼礢VPWM可以提高異步電動機和永磁同步電動機中廣泛采用的矢量控制算法的效率，盡可能防止消耗較多資源的三角函數(shù)和反三角函數(shù)的運算。最大限度的利用DSP所擅長的乘，加法運算能力。SVPWM技術(shù)研究采用三相橋式逆變器主電路的簡化拓撲構(gòu)造見圖，其中對于上，下橋臂中同一位置的開關(guān)元件無論是IGBT，IPM等主開關(guān)或者是續(xù)流二極管其導通的開關(guān)狀態(tài)函數(shù)是一樣的，因此等效為同一個理想開關(guān)。圖3.1三相逆變器簡圖根據(jù)SVPWM的拓撲示意圖，可以得出在直流環(huán)節(jié)電壓VDC確定的情況下，開關(guān)狀態(tài)函數(shù)Sc種不同的組合方式及線電壓和相電壓的表達式，見表表3.1SVPWM開關(guān)狀態(tài)函數(shù)表ScSBSAVANVBNVVABVBCVCA0000000000012VDC/3-VDC/3-VDC/3VDC0-VDC010-VDC/32VDC/3-VDC/3-VDCVDC0011VDC/3VDC/3-2VDC/30VDC-VDC100-VDC/3-VDC/32VDC/30-VDCVDC101VDC/3-2VDC/3VDC/3VDC-VDC0110-2VDC/3VDC/3VDC/3-VDC0VDC111000000當電動機繞組為星型接法時，VAN,VBN,V為逆變器三相電壓輸出電壓，6個開關(guān)器件分別被格子的門極信號SA,SB,SC,A,B,C控制。根據(jù)開關(guān)向量[SA,SB,SC]的0/1選取，電動機的三相電壓可以表示為：〔3.1〕同時，可以確定逆變器功率器件的8種組合狀態(tài)，并得到不同狀態(tài)下電動機定子電壓的適量表達式：〔3.2〕在α-β直角坐標系中，經(jīng)過克拉克變換可以得到三相電壓與直角坐標系中正交電壓分量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，Vsα，Vsβ電壓分量有如下公式表示：〔3.3〕將公式上2代入上1，可以得到開關(guān)向量[SA,SB,Sc]與Vsα，Vsβ電壓分量的關(guān)系，見表下顯然，Vsα，Vsβ同樣包括8個根本空間電壓矢量，6個有效電壓矢量，2個零矢量。其中6個有效矢量的模長為，其代表了在60°的整數(shù)倍方向上合成電壓矢量的作用效果。上1方程式可化簡為〔3.4〕上表三相逆變器開關(guān)狀態(tài)函數(shù)與α，β電壓分量的關(guān)系表3.2三相逆變器開關(guān)表SCSBSCVSαVSβVectorSector00000O000012VDC/30U01010VDC/3VDC/U120211VDC/3VDC/U603100-VDC/3-VDC/U2404101VDC/3-VDC/U3005110-2VDC/30U180611100O1117從上表可得逆變器開關(guān)狀態(tài)電壓空間向量圖，將向量圖的空間區(qū)域分為6個象限，每個象限間隔60°，如下圖圖3.2逆變器開關(guān)狀態(tài)根本空間電壓向量圖合成電壓空間向量的表達式為：〔3.5〕空間矢量PWM技術(shù)的核心是離散控制8個根本空間電壓向量的導通時間，使8個電壓向量的合成作用，在整個360°空間區(qū)域來逼近原本由，產(chǎn)生的空間合成電壓向量Uout。在以下圖中。圖3.3空間合成電壓向量圖0~60°區(qū)域逆變器空間矢量PWM技術(shù)電壓向量圖在圖中代表了由U0，U60合成作用時的α軸合成分量，代表了由U0，U60合成作用時的β軸合成分量。〔3.6〕SVPWM空間電壓矢量脈寬調(diào)制的目標就是盡可能地模擬定子電壓向量在空間的變化趨勢。雖然電壓向量不能通過，直接獲得，但利用功率開關(guān)狀態(tài)函數(shù)的8種根本組合卻能夠方便的實現(xiàn)定子電壓向量的模擬。假定在*一時刻合成電壓向量處于0-60°區(qū)域，則此時UOUT向量是由U0，U60，O000，O111四個根本電壓空間矢量所合成，由上圖可以得出在第一個60°的區(qū)域有關(guān)矢量的幾何關(guān)系如下；〔3.7〕式中，T1，T2為周期T相鄰開關(guān)狀態(tài)的累計導通時間；T為離散采樣周期；T0為周期T零狀態(tài)累計導通時間。對上公式進展分解可得：〔3.8〕電壓幅值研究方程式上2中采用的是實際值，為了規(guī)計算過程，需要采用標幺值，對計算進展歸一化處理。由表上1可以得知，U0，U60向量模的長度為2VDC/3.如果令〔3.9〕是相電壓的峰值，由上3公式可以得出以幅值/角度形式表示的T1，T2，T0表達式：〔3.10〕設(shè)定零矢量O000的作用時間為；，可以得到零矢量的兩個分量的作用時間是可以按照比例因子進展調(diào)整，從而得出不同類型的空間矢量SVPWM的方案?？梢缘贸觯弘S著合成電壓矢量的長度的增加，T1，T2也逐漸增加，T0逐漸減小。但是要滿足在線性區(qū)的要求，必須，即〔3.11〕要使在任何θ數(shù)值下式上總成立，則.取最大相電壓作為電壓的基值，則標幺化后的。由于需要盡可能的防止占用資源較多的三級哦啊函數(shù)運算，方程式可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵滦问剑骸?.12〕可以采用時間的標幺值來簡化計算，由以下公式定義t1，t2：〔3.13〕類似地可以得到，當UOUT處于60°~120°區(qū)域時，則：〔3.14〕假定根據(jù)以下方程式定義3個變量*,Y,Z：〔3.15〕電壓矢量的分區(qū)顯然，當UOUT處于0°~60°區(qū)域時，t1=-Z，t2=*;當UOUT處于60°~120°區(qū)域時，t1=Z，t2＝Ｙ。通過類似的方法可以得到整個360°區(qū)域以變量*，Y，Z作為自變量的t1，t2表達式。這種方法可以利用計算效率很高的一維查表算法，盡可能防止耗用資源較多三角函數(shù)運算和矩陣運算。下表列出了整個360°區(qū)域t1，t2的計算與分區(qū)結(jié)果。其中快速確實定分區(qū)是SVPWM算法的關(guān)鍵步驟之一。因此，有必要建立一組輔助函數(shù)來確定分區(qū)。表3.3t1，t2計算與分區(qū)表SectorU0~U60U60~U120U120~U180U180~U240U240~U300U300~U360Number132645t1-ZZ*-*-YYt2*Y-YZ-Z-*表以變量*，Y，Z為自變量所確定的t1，t2分區(qū)定義分區(qū)函數(shù)建立的規(guī)則是當空間電壓合成向量UOUT每轉(zhuǎn)過60°區(qū)域，分區(qū)函數(shù)的輸出值改變一次，改變的值與所處區(qū)間的序列數(shù)為一一對應(yīng)的關(guān)系，同時數(shù)值改變的邊界應(yīng)當是6個非零有效根本空間矢量的方向。根據(jù)以上規(guī)則可以建立出分區(qū)輔助函數(shù)如下：〔3.16〕SVPWM算法的實現(xiàn)步驟：(1)確定UOUT所在的分區(qū)數(shù)Sector_Number;(2)計算*,Y,Z;(3)計算時間的標幺值t1,t2。情況下，t1+t21，如果t1+t2>1時，需進展狀態(tài)飽和補償，用補償計算值作為新的狀態(tài)時間；〔3.17〕〔3.18〕(4)確定循環(huán)周期值taon，tbon，tcon；(5)將循環(huán)周期值taon，tbon，tcon賦值給Ta，Tb，Tc。循環(huán)周期值taon，tbon，tcon變量由以下公式確定：〔3.19〕根據(jù)分區(qū)數(shù)Sector_Number把正確的循環(huán)周期值t*on賦值給正確的逆變器的相變量，即Ta，Tb，，Tc，下表列出了賦值基規(guī)律表3.4Ta，Tb，，Tc賦值基規(guī)律表SectorU0~U60U60~U120U120~U180U180~U240U240~U300U300~U360Number132645TataontbontcontcontbontaonTbtbontaontaontbontcontconTctcontcontbontaontaontbon公式上給出的是對稱模式SVPWM調(diào)制，也稱之為七段式SVPWM波，其相對與非對稱PWM信號的優(yōu)勢在于它在每一個周期的開場和結(jié)尾處有兩個零矢量區(qū)段。在交流同步電動機中，對稱PWM調(diào)制信號比非對稱PWM信號引起的諧波畸變小。3.3SVPWM的MATLAB仿真實驗用波形采用TI公司的TMS320F2812DSP表3.5永磁同步電機的參數(shù)表參數(shù)數(shù)值極對數(shù)3定子電阻0.65Ω永磁體磁鏈0.1842Wbd軸電感0.0029Hq軸電感0.0029H額定電壓240V額定電流7.3額定轉(zhuǎn)速4000rpm以下圖為傳統(tǒng)DTC和SVPWM控制方式的磁鏈與轉(zhuǎn)矩波形仿真SVPWM電壓圖SVPWM電流波形圖SVPWM轉(zhuǎn)速圖SVPWM轉(zhuǎn)矩圖SVPWMFlu*圖4.TMS320F2812DSP控制系統(tǒng)的設(shè)計TMS320F2812DSP開發(fā)平臺是一個獨立的嵌入式應(yīng)用板卡，其集成了豐富的資源，能滿足大多數(shù)應(yīng)用需要。硬件局部比擬完善包含保護電路，檢測電路，驅(qū)動電路等等，軟件局部包含DSP初始化，讀取等。4.1控制系統(tǒng)整體設(shè)計DSP基于微處理器的運動控制系統(tǒng)根本構(gòu)造，該構(gòu)造適用于PC等類型的計算機系統(tǒng)和絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)，其中CPU是從程序存儲器讀取指令并逐條執(zhí)行的時序邏輯控制器，順序時鐘控制CPU的執(zhí)行時序。需求分析需求分析體系構(gòu)造設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)集成調(diào)試系統(tǒng)綜合測試圖4.1數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設(shè)計流程4.2硬件電路設(shè)計DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(1)電源接口F2812采用3.3V和1.8V雙電源供電[18]。本系統(tǒng)采用數(shù)字模擬地別離設(shè)計。電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V和1.8V。電路如下圖。電壓轉(zhuǎn)換芯片采用TI的TPS767D318，該電源專門為雙通道電壓處理器設(shè)計，每個通道可以提供最大1A的電流。此外，TPS767D318還具有欠壓復位功能，在系統(tǒng)上電過程或電壓波動而低于閾值〔輸出電壓的5%〕，產(chǎn)生200ms圖4.2DSP雙電源電路(2)復位電路通常情況下復位電路包括上電復位，手動復位，電源監(jiān)測復位以及看門狗復位等，無論哪種復位，其根本功能是為了保障系統(tǒng)能夠正常的啟動。在電路設(shè)計時，手動和上電復位主要考慮能夠手動去抖，上電復位時間保證等方面。而電源監(jiān)測則主要是通過對系統(tǒng)電源進展監(jiān)測，一旦出現(xiàn)超出設(shè)定的標準閾值則使處理器復位，重新運行防止系統(tǒng)跑飛而不能正常工作?？撮T狗是系統(tǒng)主要是完成系統(tǒng)軟件程序監(jiān)測，采用固定時間出發(fā)看門狗定時器方式，是看門狗一直處于計數(shù)狀態(tài)，一旦系統(tǒng)軟件異常而在看門狗計數(shù)周期沒有對其清零操作，則認為系統(tǒng)軟件故障而產(chǎn)生復位信號使CPU復位。如圖給出了上電和手動復位的電路圖。圖4.3上電和手動復位電路(3)TMS320F2812存儲器接口EVM包含零等待周期的兩片64kB數(shù)據(jù)存儲器，芯片型號為ISLV6416.提供總共128kB的外部存儲器。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，部的存儲器往往要優(yōu)先使用，這樣可以提高系統(tǒng)的運行效率。此外，外部存儲器的速度要等待周期的影響。F2812能夠部產(chǎn)生外部接口〔*INTF〕的等待周期。片外等待周期由片等待產(chǎn)生存放器確定。為了能夠獲得零等待的存儲器接口，系統(tǒng)必須正確的配置等待存放器。也可以通過外部ready信號來產(chǎn)生等待周期。2812的存儲器采用統(tǒng)一編址方式，存儲器由兩種配置方式，其模式通過撥碼開關(guān)S1的第2位來選擇。如果此位撥在ON位置，DSP工作在計算機模式并且啟動部BOOT模式，此時可以選擇從部的Flash運行程序，如果此位撥于OFF位置，則部Flash被屏蔽并且*INTFZONE7空間被使能。圖4.4外部存儲器擴展(4)晶振選擇TMS320F2812EVM由外部提供30MHz的晶振，CPU承受CLKIN(CPUCLK)，通過適當?shù)呐渲脮r鐘控制存放器來選擇系統(tǒng)時鐘的工作頻率。但由于處理器最高采用40MHz，因此鎖相環(huán)的系數(shù)配置要求不能超出處理器的主頻。如圖。圖4.5外部有源時鐘電路(5)JTAG接口TMS320F28812評估模塊支持14pinJTAG的接口，引腳分配如圖圖4.6JTAG總線接口智能功率模塊的自保護特性IPM建了一套復雜的自保護電路，它可以防止功率器件因系統(tǒng)功能失調(diào)或負載過重而損壞。因此，可以允許用戶最大限度地利用功率器件的能力而不失可靠性。自保護電路可以提供欠壓保護，過熱保護，過流保護和短路保護。下面以原三菱公司的IPM為例，介紹IPM的自保護特性。(1)欠壓保護IPM部控制電路使用隔離的直流15V電源，這個電源很重要，所以必須對其進展監(jiān)控。當欠壓時間小于tduv時，欠壓保護電路并不動作，電路仍然正常工作。當這個電源電壓降到欠壓門限〔UVt〕以下時，欠壓保護電路動作，IPM會自動關(guān)斷，并輸出故障信號；在欠壓保護時，電壓必須超過恢復門限〔UVt〕，這時，保護電路才解除保護，系統(tǒng)恢復正常操作。欠壓保護電路也在系統(tǒng)上電和斷電時工作，因此，系統(tǒng)控制器應(yīng)該考慮延時tFo。如圖〔41〕(2)過熱保護IPM部有一個溫度傳感器，安裝在靠近IGBT芯片的絕緣底板上。如果底板的溫度超過溫度極限〔OT〕，過熱保護電路將切斷IPM的門驅(qū)動，以保護IPM。對于2單元，6單元和7單元的IPM，下橋臂的IGBT將自動關(guān)斷，上橋臂的IGBT不受影響，保護動作一直持續(xù)到過熱完畢。在保護電路動作期間，IPM向外輸出一個故障信號。只要過熱條件存在，故障信號就不會消失。當溫度降到過熱恢復極限〔OTr〕以下時，IPM恢復正常工作。IPM過熱保護時序如下圖圖4.7過熱保護時序大多數(shù)應(yīng)用中，在過載和冷卻系統(tǒng)失效情況下，過熱保護功能為IPM提供了有效的保護，但是，它不能確保IGBT不會超過結(jié)溫。在特殊情況下，例如系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)功能失效或者使用超高開關(guān)頻率，都有可能在底板溫度還沒有到達OT時，使IGBT的結(jié)溫超過Tj〔ma*〕。(3)過流保護IPM使用部的電流傳感器來連續(xù)地監(jiān)視IPM的電流。如果通過IPM的電流超過過流極限〔OC〕，并持續(xù)toff〔OC〕時間，IPM的部保護電路將切斷門電路來保護器件，并發(fā)出故障信號。Toff〔OC〕延時用于防止無害的窄過流脈沖頻繁地觸發(fā)過流保護。自動關(guān)斷過程會產(chǎn)生盡可能低的di/dt，這會有助于防止關(guān)斷時產(chǎn)生過度電壓尖峰，這就是軟關(guān)斷過程。多數(shù)IPM采用兩步關(guān)斷。在兩步關(guān)斷中，門電壓先被降低到一個中間值，它可以使通過器件的電流緩慢地降低；然后，大約5μs后，門電壓降到0，完成關(guān)斷。*些容量大的6單元或7單元IPM，在高電流下使用斜坡門電壓來獲得較低的關(guān)斷di/dt。(4)短路保護如果負載發(fā)生短路或因系統(tǒng)控制器失效而引起上下橋臂，則IPM部的短路保護電路動作，以防止IGBT損壞。當通過IGBT的電流超過短路極限〔SC〕時，保護電路立即關(guān)斷，同時輸出故障信號?？梢圆捎门c過流保護一樣的技術(shù)來減小過渡電壓尖峰。為了減少短路檢測和短路關(guān)斷的響應(yīng)時間，采用了一個實時電流控制電路〔RTC〕，這個電路使響應(yīng)時間小于100ns。采取外部措施來防止頻繁地重復觸發(fā)過流保護和短路保護。在緊急關(guān)斷時，會產(chǎn)生較高的浪涌電壓，因此在驅(qū)動電路設(shè)計中，要考慮設(shè)計緩沖電路和低電感的總線。(5)故障信號的使用為了使接口電路簡單，IPM的設(shè)計可使得不管什么類型的故障發(fā)生，都通過一個故障引腳輸出故障信號，而且可以通過測量故障信號持續(xù)時間的長短來識別是什么故障。檢測設(shè)計電路在基于矢量控制的控制系統(tǒng)中，需要檢測一些反響量。電動機電流的檢測是為了實現(xiàn)電流閉環(huán)控制和主電路的過流保護；直流母線電壓的檢測是為了電壓空間矢量調(diào)制的需要；而電動機轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測是為了實現(xiàn)位置閉環(huán)和速度閉環(huán)控制。(1)電流信號的檢測電流的檢測通常有以下3種方式：電阻采樣；采用磁場平衡式霍爾電流檢測器〔LEM模塊〕；采用電流互感器。電阻采樣適合被測電流較小的情況，在待測電流的支路上串入小值電阻，通過測量電阻上的壓降就可以計算電流大小，假設(shè)要在保證電流檢測線性度的同時又實現(xiàn)強，弱電的隔離，需要采用用于傳輸模擬量的線性光電耦合器件。電流互感器只能用于交流電流的檢測，檢測過程中需要對互感器獲得的電流信號進展整流以得到單極性的直流電壓，再通過A/D轉(zhuǎn)換讀入微處理器，由于整流電壓本身具有脈動性，因此讀入微處理器時因采樣方式的不同將會得到不同的測量結(jié)果。與這兩種電流檢測方法相比，采用LEM模塊可以到達很多好的測量精度和線性度，而且霍爾電流傳感器響應(yīng)快，隔離也徹底。(2)電壓信號的檢測電壓的檢測方式通常有以下三種：分壓電阻采樣；采用電壓互感器；采用磁場平衡式霍爾電壓傳感器〔LEM模塊〕。分壓電阻采樣可以用于直流母線電壓的檢測，但要進展強，弱電隔離時，需采用光電耦合電路。電壓互感器只能用于交流電壓的檢測。而應(yīng)用磁場平衡式霍爾電壓傳感器進展直流母線電壓的測量和隔離，可以獲得很好的測量精度和動態(tài)響應(yīng)，因此實驗室系統(tǒng)選用電壓LEM模塊LV28-P來檢測直流母線電壓，直流母線電壓信號的調(diào)理過程與電動機側(cè)電流信號大體一樣，但無須電平提升電路。(3)轉(zhuǎn)子位置信號的檢測應(yīng)用機械式位置傳感器檢測電動機轉(zhuǎn)子的位置和速度，可以把測量結(jié)果作為評價轉(zhuǎn)子位置自檢測精度的依據(jù)。要準確檢測轉(zhuǎn)子*一時刻到達的位置，需要較為精細的轉(zhuǎn)角檢測器。光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，是目前應(yīng)用最多的傳感器。一般的光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置組成。在伺服系統(tǒng)中，由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出假設(shè)干脈沖信號，其原理如圖。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的2個通道的光碼輸出，根據(jù)雙通道光碼的狀態(tài)變化確定電機的轉(zhuǎn)向。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式，磁式，感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式，絕對式以及混合式3