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1、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
2、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,(a)转子位置 (b)磁通分布,2、坐标变换,3、SVPWM,直接根据求得的两相静止坐标系上
3、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、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
4、；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。,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,三、相电流重构技术,第1扇区SVPWM波形示意图,ia+ ib+ic=0,1、基本原理分析,2、低调制区采样误差分析,(a)低调制区域矢量空间图 (b)非可测区域矢量空间图,(c) 低调制区域SVPWM波作用示意图,Tmin=td+ts+tr,T1/2和T2都
5、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Trem0且T2Tmin时,第1扇区内低调制区域对应SVPWM移相后波形图,当Trem0或T2Tmin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
6、量作用时可供A/D采样？,T1-Tmin0,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,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,五、系统软件件设计,STM32FEBKC6T6,IAR Embedded Workbench for ARM version 6.50,ST-Link,1、芯片及开发环境介绍,定时
7、器嘀嗒中断，用于速度环PI调节； DMA传输完成中断，进入电流重构、坐标变换、直（交）轴电流PI调节、SVPWM调制和更新PWM占空比等子程序处理； 保护中断，用以实现电机异常运行情况下的自保护，即关闭 PWM输出模块，保护逆变电路和电机； A/D中断，进入欠压处理； Hall变化捕获中断，进入电机实时转速计算程序。,2、主程序设计,3、三角函数运算子程序设计,实际转子位置角为-180到180，对应-32768到32767。前述所建立的数据表只存放了对应0到90角度范围内离散的256个正弦函数值（实际值是正弦值乘以32766）。首先需要确定实际位置角所处直角坐标系所属象限，从而确定是正向还是逆
8、向从数据表找对应数值。查表部分程序流程图如左图所示。先对位置角作减32768 （0到360 间位置角减180）的运算，将减后所得数左移16位，再右移22位，然后依据第9、第8位确定所属象限，再依据低8位确定查表索引值。流程图中H=0、1、2、3分别对应第3、4、1、2象限。,4、相电流重构子程序设计,5、SVPWM子程序设计,对于中、高调制区中央区域电流采样时刻并非 一定要选在非可测边界区，完全可以在当前扇 区中央区域（比如第一扇区位置角为30附近 区域）进行电流采样，此时PWM波无需作移相 调整，PWM输出采用中央对齐模式。需要解决 的是为了能够实现低调制可移相区域相邻电压矢 量作用时间能够
9、满足A/D采样窗口所需时间，需 要对PWM波形作移相处理，则SVPWM调制软 件实现的最后一步对捕获/比较寄存器赋值操作 就要相应进行调整。,6、DMA中断程序设计,整个SVPWM程序和三角函数运算、坐 标变换、内环两个电流PI调节及电流控 制模块均放在DMA1控制器通道1（母线 电流采样通道）采样数据传送完成中断 中。由软件总框图易知，上述子程序均 安排在相电流重构之后，且SVPWM程 序处于最后一部分。电流控制模块提供 了3种电流控制方式，按设计者要求分 别执行。,7、嘀嗒定时器中断程序设计,转速计算和初始位置确定,电机速度计算程序是在捕获到 的Hall信号变化中断里执行， 定时器的计数功
10、能能够测得两 次Hall变化间的时间：,ARM芯片采样Hall状态值，可以划定转子所 处正弦曲线的位置区间。由Hall状态值虽不 能确定所处区间具体位置角，但可以认为转 子处于该区间的中心角度上，以这一中心角 度作为转子的初始位置角；同时，定子电流 (A相)也从这一位置角开始运行，即确定了此 时的电流值，同理也可确定B、C相电流值。 如此，启动所需电气量确定，永磁无刷直流 电机的零启动得以实现。,嘀嗒定时器中断子程序,本系统利用嘀嗒定时器SysTick(校准固定值为9000，频率 设为18MHZ)每500us产生一个时基中断，外环速度控制间 隔为2ms，故需要产生四个时基中断才进入外环速度PI
11、调 节程序。如果程序中需要改变速度环控制间隔时间，可以 设置频率和Delay_num配合进行调整。频率越大，可调间 隔精度越高；频率一定，调整Delay_num大小确定延时中 断时间。本系统所设嘀嗒定时器一个时基为500us，速度 环控制间隔时间为2ms，则Delay_num=3。,六、实验结果分析,本系统实验平台驱动控制对象是电动车用轮毂式永磁无刷直流电机， 相关参数如下：额定电压48V，额定功率600W，额定转速500r/min， 额定转矩65N.m。,搭建的实验平台主要包括：轮毂式永磁无刷直流电机、开发的驱动控制器、ST-LINK型仿真器、计算机、示波器、电机带载测试系统等。控制器所设定
12、的堵转电流和限流值均设为30A。,1、启动、稳定运行时HALL和电流波形图,启动,稳定运行,2、轻、重载运行时PWM和直流侧电流波形图,低调制可移相区,中、高调制区,3、三种电流控制方式下带载测试波形图,id=0控制方式,最大转矩电流比控制方式,弱磁调速控制方式,七、总结与展望,本文将基于转子磁场定向的矢量控制技术应用 于永磁无刷直流电机的驱动控制当中，以解决 其因多变量、非线性、强耦合等特性难于控制 的问题。控制系统实现了永磁无刷直流电机在 不同负载下低转矩纹波、运动平滑、噪音小、 效率高的运行效果。本文取得的主要研究成果： 1、本文详细推导了永磁无刷直流电机在两相旋 转坐标系上的数学模型，
13、并将矢量控制技术应 用于永磁无刷直流电机驱动控制系统中，实现 了电机零起动快速平稳、稳态运行平滑和可闻 噪音极低等技术目标。 2、根据对电机转矩、转速的不同要求，分功能 实施电流直轴分量id=0、最大转矩电流比(MTP A)和弱磁(FW)提速三种控制方式，实际加大转 矩和拓宽调速范围的效果明显。 3、本文利用母线回路康铜电阻采样母线电流， 根据主逆变电路不同开关状态下母线电流与三 相相电流的关系，进行相电流的重构。同时， 通过PWM移相技术解决了低调制可移相区的采 样重构误差难题。上述方案避免了硬件系统使用 电流互感器，降低了电流采样电路的设计成本。 4、本文提出的基于原驱动电路的改进方案，改
14、 善了开、关振荡的非均流运行和米勒平台过长现 象。同时，功率管在不同工况下运行正常且不易 坏。,由于时间和条件的限制，仍有很多关键技术需要深入研究，主要包括： 1、本文所提的PWM移相方案仅对低调制可移相区有效，不适用于负载极小的情况。这是因为负载极小时，合成参考电压矢量位于低调制区，而且相邻矢量作用时间均不满足电流采样窗口所需时间。 2、主逆变电路并联功率管数目超过4个时，仅利用本文所提出电路参数修改方案效果不是很好，开通过程存在一定的自激振荡，米勒平台维持时间也较长。 3、电动车用永磁无刷直流电机出厂参数不是很标准，尤其是等效的直、交轴电感差异性可能比较大。同一个控制系统在一台电机上运行效果很好，在另一台参数差异较大的电机上运行效果就会变差。此时，需要设计电机参数自检测系统，实现驱动控制中速度、电流调节参数的相适应调整，才能使原本系统适应所有电机。,
