永磁无刷直流电机矢量控制—答辩

电动车用永磁无刷直流电机矢量控制技术研究专业:电力电子与电力传动姓名:耿田军导师：贾洪平江苏大学电气信息工程学院2014年6月江苏大学硕士学位论文答辩内容提要一、课题领域介绍、研究目的和意义二、系统数学模型建立和矢量控制理论分析三、相电流重构及低调制区移相技术分析四、系统硬件设计五、系统软件设计六、实验结果分析七、总结与展望一、课题领域介绍、研究目的和意义►国内、外相关科研单位及企业对应用于电动车领域的永磁无刷直流电机驱动控制技术进行了深入的研究，在传统方波控制技术中加入改进的PI调节控制、模糊控制及滑模变结构控制等先进技术，以逐力改善速度响应、带载运行稳定性、转矩波动和静音等方面的效果。中国轻型电动车产销量已经占到全球的90%以上，中国已经成为全球最大的轻型电动车生产国、消费国和出口国。随着市场对舒适性、运行平滑性、超静音等方面的高要求，各大方案商的工程师们开始研究所谓的永磁无刷直流电机正弦波控制技术，而这其实就是本文所要研究的基于转子磁场定向(FOC)的矢量控制技术。►全面提高电动车用永磁无刷直流电机在行驶平滑性、噪音及效率等方面的性能，而这些性能是传统方波驱动技术所无法解决的。二、系统数学模型建立和矢量控制理论分析1、两相旋转坐标系上的数学模型25cos()sin()()sin()()32666625sin()sin()()sin()()323636dddrmrmrmqqqrmrmrmdiuRiLdtBBBdiuRiLdtBBB5[cos()sin()()sin()()]266665[sin()sin()()sin()()]23636emdmqTpBBBipBBBiθadωrA•NSNSxBBm0•XAA相轴线θ222232(a)转子位置(b)磁通分布()=pmadedt22()()()pmpmNNBxSdx0000..00aasMMaabbMsMbbccMMsccuRiLLLieduRiLLLiedtuRiLLLie坐标变换2、坐标变换1112223303220111222abciiiiicossinsincosdqiiiiabcABCiaibicFω1αβαβiαiβω1FdqdqidiqFω13、SVPWM21111213112AaBdbCcUSUUSUS1112223303220111222ABCUUUUU2/34/32()3jjoutABCUUUeUeU6110U4100U1001U2010U5101U3011αβU0000U7111abcSaSbScUAUBUC矢量符号010000000000111111111111000000U0U1U2U3U4U5U6U7-Ud/3-Ud/3-Ud/3-Ud/3-Ud/3-Ud/32Ud/3-2Ud/32Ud/32Ud/3Ud/3Ud/3Ud/3Ud/3Ud/3Ud/3-2Ud/3-2Ud/3023jdUe5/323jdUe4/323jdUe23jdUe2/323jdUe/323jdUe00空间电压矢量SaSbScUAUBUCUABUBCUCAUαUβ矢量符号0100000000001111111111110000000000000000000U0U1U2U3U4U5U6U7-Ud/3-Ud/3-Ud/3-Ud/3-Ud/3-Ud/32Ud/3-2Ud/32Ud/32Ud/3Ud/3Ud/3Ud/3Ud/3Ud/3Ud/3-2Ud/3-2Ud/30-Ud-UdUdUd-UdUdUd-Ud00Ud0Ud-Ud0-Udd16Ud12Ud12Ud12Ud16Ud16Ud16Ud12Ud23Ud23U*/2*/2*2/2Re1Re(3)21Re(3)2jaasrefjbasrefsrefjcasrefsrefvueUvuaeUUvuaeUU1(2)2(6)P=3(1)4(4)5(3)6(5)U6110U4100U1001U2010U5101U3011αβU0000U7111vavbvc直接根据求得的两相静止坐标系上分量、经Clarke逆变换可得Ua、Ub、Uc，但无法由这些量准确判断任意合成电压矢量所处扇区。现将原绕组轴线方向逆时针旋转90电角度，用单位向量、、表示旋转后所得到的法矢量。三个法矢量构成了一个新的对称三相轴线，va、vb和vc，如图所示。然后根据电压空间矢量在法矢量上投影的正负可以判断该电压空间矢量所处扇区号。注：方程式其实就是Clarke逆变换，只不过将α、β轴分量调换了位置。其中为原绕组A相轴线上的单位向量，a为旋转因子。设新构建的轴线坐标系上扇区号P=A+2B+4C，其中逻辑变量A、B、C（取值1或0）的值由上面的式子值的符号决定。逻辑变量真值判别具体如下：若va0时，A=1，反之为0；若vb0时，B=1，反之为0；若vc0，C=1，反之为0。根据这三个标量的正负可以判定给定电压矢量的扇区编号P值，此处得到的P值并不是真正的扇区号，真正的对应关系如表所示。P315462实际扇区号123456t1-ZZX-X-YYt2XY-YZ-Z-XU4U6θ60°44TUT66TUTsrefUsrefUαβsrefU46064464466tan(60)cos(30)srefsrefsrefsrefTTTTTTUUUTTUTUUTTUUT46(33)23srefsrefdsrefdTTUUUTTUU3(33)2(33)2srefdsrefsrefdsrefsrefdTXUUTYUUUTZUUU对于其他扇区，相邻电压矢量的作用时间也可以利用上述公式得到，结合各个扇区算得的时间同时兼顾本文软件部分的设计，设作用时间的中间变量X、Y和Z：4、矢量控制系统CurrentPIcontrollerd_qα_βSVPWM电流重构速度与位置反馈d_qα_βα_βabcn_refisd_ref=0或isd_ref**isdParkTransClarkTransiαiβiaibicniDCuduquαuβInvParkTransPWMOutputSpeedPIcontrollerθr三相逆变电路isqCurrentPIcontrollerMDCPOWERisq_ref或isq_ref**id=0控制或MTPA&FWC控制isq_ref---+++CurrentPIcontrollerMTPAisq_refTn0.2Tn0.6Tn0.4Tn电流极限圆MTPA轨迹idiqisq_ref*isd_ref*22sdquuuipkksus*udanduq+-ifw*isq_ref**isd_ref**limiter++SpeedPIcontrollerFWCisd_ref=0isq_refCurrentPIcontroller22ssdsqiii(1)qeqdqdLTiiiL5[sin()sin()()sin()()]23636emqTpBBBi三、相电流重构技术+-UdcVT1VT3VT5VT4VT6VT2ibABCNVD1VD3VD5VD4VD6VD2SaScSbSa_Sb_Sc_iciaRidc+-UdcVT1VT3VT5VT4VT6VT2ibABCNVD1VD3VD5VD4VD6VD2SaScSbSa_Sb_Sc_iciaRidc矢量idcia-icib-iaic-ib00U0U000U300U240U180U120U60U111SaidcScSbTS011110000000000T0/2T1/2T2T1/2T0/2O000O000iaia-ic第1扇区SVPWM波形示意图ia+ib+ic=01、基本原理分析2、低调制区采样误差分析U60110U0100U180011U240001U120010U300101123456U60110U0100U180011U240001U120010U300101123456非可测区域(a)低调制区域矢量空间图(b)非可测区域矢量空间图SaidcScSbTST0/2T1/2T2T1/2O000O000U0U60U0-iciaiaT0/2(c)低调制区域SVPWM波作用示意图Tmin=td+ts+trT1/2和T2都可能小于Tmin本文电流采样并非一定要求在非可测区域中，因电机感性绕组，电流不会发生突变，完全可以在除边界区外的中、高调制区进行电流采样，此时中、高调制区相邻非零电压矢量作用时间完全满足采样窗口所需时间。2、基于PWM移相的电压矢量调整方案思路：以移相前后合成的参考电压矢量不变为前提条件，把占空比最大PWM波进行前后平移，延长扇区相邻基本电压矢量的作用时间以分别采样两相电流的时间。Trem=Tmin-(T1/2)当Trem＞0且T2＞Tmin时SaidcScSbTSTminT2O000O000U0U60U0-iciaTmin-(T0+T1)/2iaT1-Tmin-Tmin+(3T0+T1)/2第1扇区内低调制区域对应SVPWM移相后波形图当Trem＜0或T2＜Tmin时合成参考电压矢量既处于低调制区又处于非可测边界区，仅有一个电压矢量作用时可供A/D采样？T1-Tmin＞0电压矢量处于低调制区且幅值小，任何时刻均不适合电流采样重构？非可测区域！实际临界负载！低调制可移相区3、低调制可移相区SVPWM实现方案121220aonbonaonconTttttttt实际扇区捕获/比较寄存器123456TIM1_CCR1taontbontcontcontbontaonTIM1_CCR2tbontaontaontbontcontconTIM1_CCR3tcontcontbontaontaontbonTIM1_CCR3TIM1_CCR2TIM1_CCR1ttttPWM1(A上)PWM3(B上)PWM3(C上)taontbontconTsT0/2T4/2T6T0/2tPWM1(A下)tdeadtdeadT4/2TIM1_CCR3TIM1_CCR2TIM1_CCR1ttttPWM1(A上)PWM3(B上)PWM3(C上)taon-TremtbonTsTminT2taon+Tremtcon=0T1-TminTrem-Tmin+(3T0+T1)/2Tmin-(T0+T1)/2第1扇区PWM输出波形图第1扇区低调制区PWM移相波形比较标志位CMS，计数器向上计数时被置1，向下则被清0。在PWM波移相需作赋值调整时，根据比较标志位在向上和向下计数时对TIM1_CCRx赋不同的值。四、系统硬件设计主控芯片STM32FEBKC6T6主逆变电路驱动电路永磁无刷直流电机直流电压、母线电流采样及过流中断保护电路霍尔位置检测电路或反电势检测电路DCPOWER转把信号刹车信号助力信号电源电压、速度显示开关电源48V15V3.3V5V五、系统软件件设计STM32FEBKC6T6IAREmbeddedWorkbenchforARMversion6.50ST-Link1、芯片