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电动汽车最优调速算法研究及仿真分析-0-现代电机控制技术结课论文题目_电动汽车最优调速算法研究及仿真分析学生姓名__王晓文__________专业控制科学与工程学号154611058指导教师______王随平__________学院__信息科学与工程学院_____2016年5月电动汽车最优调速算法研究及仿真分析-1-电动汽车最优调速算法研究及仿真分析摘要:电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。异步电机因具有结构简单、制造容易、价格低廉、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、易于维护等优点已成为动力驱动系统的主流。异步电机直接转矩控制技术是继矢量控制技术之后，迅速发展起来的一种新型的高性能的交流调速传动的控制技术。该控制技术控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，是一种具有良好的静态与动态性能的交流调速法，已成为交流调速传动中的研究热点。本文以交流异步电机作为电动汽车的驱动电机，在考虑电动汽车驱动系统运行特点的前提下，将直接转矩控制思想运用于电动汽车驱动系统，并结合电动汽车的实际情况，对电动汽车直接转矩控制系统进行建模仿真。在直接转矩控制技术方面，对直接转矩控制理论进行分析，针对传统的直接转矩控制系统在低速段磁链观测不准确的问题，提出了多种磁链观测方法，并进行了讨论，分析各种方法的可行性，然后提出一种改进的优化算法，并通过仿真验证，证明了在低速运行时，改进后的方案比传统方案更能准确的反映磁链的变化。关键词;电动汽车直接转矩控制磁链观测SimulationResearchonDirectTorqueControlTechnologyofElectricVehiclesElectricvehiclesrefertothevehiclepowerasthepower,themotordrivewheeldrive,inaccordancewiththerequirementsofroadtraffic,safetyregulationsofthevehicle.Becauseoftheadvantagesofsimplestructure,easymanufacture,lowcost,stronganddurable,smallmomentofinertia,reliableoperationandeasymaintenance,theinductionmotorhasbecomethemainforceofthepowerdrivesystem.Induction电动汽车最优调速算法研究及仿真分析-2-motordirecttorquecontroltechnologyisanewtypeofhighperformanceACdrivecontroltechnologyaftervectorcontroltechnology.Thecontroltechnologyhastheadvantagesofnovelcontroltechnology,simplecontrolstructureanddirectcontrolmethod,whichisakindofACspeedregulatingmethodwithgoodstaticanddynamicperformance,whichhasbecomearesearchhotspotintheACspeedregulationdrive.TheACasynchronousmotorasthedrivemotorforelectricvehicles,inconsiderationoftheelectricvehicledrivesystem'soperatingcharacteristicunderthepremise,directtorquecontrolthoughtusedinthedrivingsystemofelectricvehicle,andcombiningwiththeactualsituationofelectricvehicles,toelectricvehicledirecttorquecontrolsystemtomodelingandsimulation.Indirecttorquecontroltechnology,thetheoryofdirecttorquecontrolanalysis,accordingtotheconventionaldirecttorquecontrolsysteminlowspeedfluxobserverisnotaccurate,proposedavarietyoffluxobservationmethod,anddiscussed,analysisofthefeasibilityofvariousmethods,althoughafterproposedanimprovedoptimizationalgorithm,andverifiedbysimulationshowthatatlowspeed,theimprovedschemethantheconventionalschemecanmoreaccuratelyreflectthefluxchange.Keywords:electricvehicles(EV)directtorquecontrol(DTC)fluxobservation1.引言电动汽车是新能源汽车发展的重要一环，电动汽车以电能作为能源，由于可能可来源于风能、水能或太阳能，所以电动汽车可以做到零排放。电动汽车有三大技术难题，电池管理、电机技术、电机驱动控制，无论是哪种形式的新能源汽车，都需要解决对电机驱动及控制系统的问题。电动汽车对驱动电机的要求是具有瞬时大功率、转矩快速响应、调速范围宽广等性能，因此对驱动电机的选择十分重要。矢量控制、直接转矩控制等基于电机动态模型的控制方法的出现和发展，大大提高了交流电机控制的性能，异步电机具有结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、低噪声等优点，加上控制手段的成熟，异步电机已普遍应用于电动汽车的驱动系统。异步电机要获得良好的调速性能，就离不开优异的驱动控制方法。基于异步电机动态模型的调速方法主要有矢量控制和直接电动汽车最优调速算法研究及仿真分析3转矩控制，与常用的矢量控制相比，直接转矩控制具有转矩响应迅速，鲁棒性好，结构简单，对电机参数依赖小等优点，异步电机直接转矩控制已经成为国内外学者研究的热点。由于低速情况下控制性能不理想，异步电机直接转矩控制在电动汽车上的应用研究还比较有限。因此，对电动汽车用异步电机直接转矩控制方法的研究，有利于探索电动汽车新技术，降低电动汽车的成本，对电动汽车技术在我国的发展具有重大意义。直接转矩控制摒弃了矢量控制解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。与经典矢量控制相比，直接转矩控制有以下几个主要特点：1．直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，控制电机的磁链和转矩，计算过程简单。2．直接转矩控制磁通估算所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。3．直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。4．直接转矩控制是直接将转矩作为被控量，直接对其进行控制。2.逆变器的数学模型与电压空间矢量逆变器连接了直流电源与异步电机，异步电机的输入电压取决于逆变器的开关状态。一台电压源型逆变器由六个开关（𝑆𝑎、(1+𝑥)𝑛=1+𝑛𝑥1!+𝑛(𝑛−1)𝑥22!+⋯𝐴、𝑆𝑏、𝑆𝐵、𝑆𝑐、𝑆𝐶）组成，这六个开关可分为三组，如图2-1所示。这六个开关中𝑆𝑎与𝑆𝐴、𝑆𝑏与𝑆𝐵、𝑆𝑐与𝑆𝐶之间为相反的状态，也就是说当其中一个导通时，另一个必须关断。经过排列组合可以得到8组开关状态。图2-1逆变器示意图电机的三相负载用A、B、C表示，开关𝑆𝑎与𝑆𝐴控制A相负载是接通电源正极还是电源负极，若A相负载与电源负极导通则需要𝑆𝑎关断𝑆𝐴导通，用QA=0表示这种情形；若A相负载与电源正极导通则需要𝑆𝑎导通𝑆𝐴关断，用QA=1表示，同理可定义QB和QC，也可以用QABC同时表示三相负载的导通状况，得到表2-1所示的8种开关状态。状态运动状态零状态U1U2U3U4U5U6U0U7QA00011101QB01100101QC10101001QABC001010011100101110000111表2-1逆变器开关状态表在这8种开关状态中，“000”代表ABC三相全部关闭，“111”代表ABC三相全部电动汽车最优调速算法研究及仿真分析4导通，对异步电机负载而言，各负载两端的电压相同，负载相电压均为零。对余下的六种开关状态来说，各负载两端的电压有所不同，负载相电压不为零，每相均有电流流过负载。因此，开关状态𝑈0和𝑈7称为零电压状态，所对应的电压状态称为零电压矢量，𝑈1和𝑈6称为运动电压状态，所对应的电压状态称为运动电压矢量。每个开关状态都会对电机的磁链与转矩产生影响。3.直接转矩控制的基本原理图3-1是直接转矩控制系统原理框图。图中，电压源逆变器能提供八个开关电压矢量。将定子磁链实际值与给定值比较后的差值输入磁链滞环比较器，同时将转矩实际值与给定值比较后的差值输入转矩滞环比较器，根据两个滞环比较器的输出，可以选择到合适的开关电压矢量。但是在查询前，需要提供定子磁链矢量的位置信息，图中的ψS表示的是扇区顺序号。根据定子三相电压和电流的检测值可估计出定子磁链矢量的幅值和相位，同时给出转矩值。图3-1中，仅给出了速度控制环节，也可在此基础上构成位置控制系统。作为速度控制系统，还可以进行弱磁控制。滞环控制属于Bang-Bang控制，滞环控制器相当于两点式调节器，也可看成是具有高增益的P调节器，虽然能使磁链和转矩快速调节，但是磁链和转矩不可避免地会产生脉动。若使脉动减小，可以减小滞环比较器带宽，但会增大逆变器的开关频率和开关损耗，降低了运行效率，也提高了对电子开关的技术要求。图3-1直接转矩控制原理图3.1定子磁链及转矩的计算磁链幅值的计算如下：对于六边形磁链，磁链由ψβa、ψβb、ψβc构成，由于三个β磁链分量对称，即：ψβa(t)+ψβb(t)+ψβc(t)=0(3-1)所以定子磁链幅值为：|𝛙𝐬|=0.5(|ψβa|+|ψβb|+|ψβc|)(3-2)式中：|𝛙𝐬|为定子磁链幅值；|ψβa|、|ψβb|、|ψβc|为定子磁链各β分量的幅值。对于圆形磁链，定子磁链幅值为：|ψs|=√ψsα2+ψsβ2(3-3)磁链角计算公式：θ=arctgψsβψsα(3-4)电磁转矩计算公式：Te=32pn(ψsαisβ−ψsβisα)(3-5)式中的isα，isβ分别由传感器检测到电流通过3/2坐标变换得到的。3.2电压空间矢量与定子磁链的关系逆变器的8个开关状态对应有8个电压空间矢量，分别为𝐮𝟎，𝐮𝟏，𝐮𝟐，𝐮𝟑，𝐮𝟒，𝐮𝟓，电动汽车最优调速算法研究及仿真分析5𝐮𝟔，𝐮𝟕，他们与开关对应的状态如表2-1所示。𝐮𝟏𝐮𝟐𝐮𝟑𝐮𝟒𝐮𝟓𝐮𝟔𝐮𝟕𝐮𝟎100110010011001101111000表3-1电压空间矢量表其中𝐮𝟎，𝐮𝟕为零矢量，其余为有效的矢量。如果电压空间矢量按𝐮𝟏，𝐮𝟐，𝐮𝟑，𝐮𝟒，𝐮𝟓，图3-2定子磁链𝛙𝐬(𝐭)运动轨迹𝐮𝟔顺序作用时，定子磁链𝛙𝐬(𝐭)按正六边形轨迹运动，如图3-2所示。因此，只要在适当的时刻依次给出定子电压空间矢量，则可得到定子磁链的运动轨迹形成正六边形磁链。3.3电压空间矢量和电机转矩的关系要改变电机转矩的大小可以通过改变磁通角的大小来实现，在直接转矩控制中，就是通过电压空间矢量𝐮𝐬(𝐭)来控制定子磁链