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1、第第7章章 交流电驱动控制交流电驱动控制 程夕明程夕明 北京理工大学机械与车辆学院北京理工大学机械与车辆学院 电动车辆国家工程实验室电动车辆国家工程实验室 办 公 室：车辆实验楼501C 电子邮件：CXM 微信：BITXMCHENG 目目 录录 基本概念基本概念 7.1 电动汽车电驱动系统电动汽车电驱动系统 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制 7.3 交流永磁同步电动机控制交流永磁同步电动机控制 7.4 交流永磁无刷直流电动机控制交流永磁无刷直流电动机控制 7.5 再生协调制动器再生协调制动器 总结总结 基本概念基本概念分类与特点 交流电驱动类型交流电驱动类型 （1）异步电动机驱动系
2、统； （2）永磁同步电动机驱动系统； （3）永磁无刷直流电动机驱动系统。 功能特点功能特点 （1）高效率，使汽车具有高的等效燃油经济性； （2）电制动，使汽车具有更高的行驶效率； （3）即时起停，使汽车无需怠速状态； （4）高功率密度，适合汽车有限空间布置； （5）低速大转矩，使汽车具有快速启动和加速能力。 7.1 7.1 电动汽车电驱动系统电动汽车电驱动系统技术要求 图7.1 7.1 7.1 电动汽车电驱动系统电动汽车电驱动系统功能结构 图7.2 7.1 7.1 电动汽车电驱动系统电动汽车电驱动系统预充电电路 图7.3 7.1 7.1 电动汽车电驱动系统电动汽车电驱动系统加速信号vs.峰值转
3、矩 图7.4 7.1 7.1 电动汽车电驱动系统电动汽车电驱动系统定子磁场旋转原理 cb a u1 a b c 7.1 7.1 电动汽车电驱动系统电动汽车电驱动系统定子绕组感应电势 图7.6a 7.1 7.1 电动汽车电驱动系统电动汽车电驱动系统定子绕组感应电势 图7.6a 7.1 7.1 电动汽车电驱动系统电动汽车电驱动系统笼型转子旋转原理 图7.6b 7.1 7.1 电动汽车电驱动系统电动汽车电驱动系统永磁体转子旋转原理 图7.8 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制T型等值电路 图7.9 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制T型等值电路 图7.9 11 1
4、 3cos .PU I= 2 Cu111 3.PI R= 2 Fegg 3.PI R= 2 222 3.PI Rs= 2 Cu2222 3.PI RsP= ()() 2 M222 311.PI Rsss P= 输入功率 转子功率 机械功率 定子铜耗 转子铜耗 铁耗 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制VVVF（1） 1,n g,n b . E K f = 气隙磁通方程气隙磁通方程 式中，K是每极气隙磁通常数，E1,n是每相电势额定值，g,n是每极气隙磁通 额定值， fb是对应电动机额定转速的电源频率。 1,n 1 1b . EE ff = 恒频恒压方程恒频恒压方程 11. EU
5、 1b. ff 1 1 U f =常数. 1b. ff 1,n g 1 1 . U Kf = 电压恒定，弱磁升速电压恒定，弱磁升速 变电压，变频率变电压，变频率 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制VVVF（2） 图7.10 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制VVVF（3） 图7.11 开环控制 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制VVVF（4） 三相感应电动机三相感应电动机 定子相电阻(Rs)：0.294 ； 转子相电阻(Rr)：0.156 ； 定子相漏感(Ls)：1.39 mH； 转子相漏感(Lr)：0.74 mH； 励磁相电感(Lm)：4
6、1 mH； 电动机极对数(P)：2； 额定功率频率(fnom)：50 Hz。 时间控制参数时间控制参数 步长：10 us； 时间：4 s。 SPWMSPWM信号发生器信号发生器 （1）三相正弦线电压参考信号(Ulref) ：幅值1 V，频率30 Hz，初始相位角 0； （2）等腰三角赵波信号(Ucar)：幅值1 V，频率5000 Hz，占空比50%； （3）三相正弦线电压有效值(Ulnom)： 380 V； （4）三相正弦线电压参考频率(fref) ：30 Hz； （5）直流母线电压：650 V。 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制VVVF（6） 图7.12 7.2 7.2
7、交流异步电动机控制交流异步电动机控制动态数学模型（1） 图7.14a ClarkeClarke变换变换 3 2 0 . A B C ii iCi i i = 3 2 11 1 22 233 0. 322 111 222 C = 三相静止坐标系 -两相静止坐标系 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制动态数学模型（2） 图7.14b ParkeParke变换变换 2 2 . d q ii P ii = 2 2 cossin . sincos P = 两相静止坐标系 -两相旋转坐标系 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制动态数学模型（3） 假设条件假设条件 0.ss
8、t=+ () 0.rrr t=+ （1）dq旋转坐标系与三相静止坐标系之间的相位关系 （2）dq旋转坐标系与三相转子旋转坐标系之间的相位关系 00 0. sr = （3）零初始角，即 （4）假设三相定转子绕组对称，在空间互差120电角度，所产生的磁动势沿气隙周 围按正弦规律分布；忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感为恒定；忽略铁心损耗，不 考虑频率变化和度变化对绕组电阻的影响。 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制动态数学模型（4） DQDQ旋转坐标系三相异步感应电机定子电压方程旋转坐标系三相异步感应电机定子电压方程 . dss dsdsqs qss qsqsds d uR i d
9、t d uR i dt =+ =+ 转子电压方程转子电压方程 () () . drr drdrrqr qrr qrqrrdr d uR i dt d uR i dt =+ =+ 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制动态数学模型（5） 定子磁链方程定子磁链方程 转子磁链方程转子磁链方程 . dss dsm dr qss qsm qr L iL i L iL i =+ =+ . drr drm ds qrr qrm qs L iL i L iL i =+ =+ 电磁转矩方程电磁转矩方程 () 3 . 2 eds qsqs ds P Tii= () 3 . 2 m edr qsqr
10、ds r LP Tii L = 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制矢量控制基本方程（1） 图7.13 矢量控制的目标矢量控制的目标 矢量控制的本质矢量控制的本质 自由调节异步电动机空间电流矢量的幅值和相位，实现转子磁链和电磁转矩 的解耦控制。 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制矢量控制基本方程（2） 鼠笼式感应电动机转子电压方程鼠笼式感应电动机转子电压方程 转子磁链定向方程转子磁链定向方程 0 . 0 dr qr u u = = . 0 drr qr = = 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制矢量控制基本方程（3） 转差频率方程转差频率方程
11、 转子磁链方程转子磁链方程 . m srrqs rr L i = . rrrm ds d L i dt += . rm ds L i= 电磁转矩方程电磁转矩方程 3 . 2 m er qs r LP Ti L = 0. r d dt = 转子磁链和电磁转矩可分 别由定子电流的两相坐标 系分量调节，实现解耦。 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制间接矢量控制（1） MTMT坐标系坐标系 d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，称之为 M轴；而 q 轴垂直于转子总磁链 矢量，q轴定子电流用于控制电动机电磁转矩，称之为 T轴。为此，将按转子磁链定 向的dq两相同步旋转坐标系称之为 MT 坐标
12、系。 励磁电流方程励磁电流方程 . Msrm iL= 转矩电流方程转矩电流方程 2 2 . 3 re Ts m Ms L T i PL i = 转差频率方程转差频率方程 . Ts sr r Ms i i = 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制间接矢量控制（2） 转速控制系统转速控制系统 图7.15 如何改变为转矩控制系统？ 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制间接矢量控制（3） 特点特点 （1）同步转速参考坐标系； （2）转子磁场定向； （3）转子磁链开环控制，由给定信号通过转子磁链稳态方程计算转子磁链幅值， 没有在系统运行过程中实时检测转子总磁链的方向角；
13、（4）系统实现简单，运行可靠； （5）由于电动机磁饱和情况和绕组温度变化对转子时间常数的影响，以及电动机 动态过程中实际的定子电流幅值和相位与其给定值之间难免会存在偏差，这些因素将 使转子磁链相位角的准确估算变得困难，导致这种矢量控制系统很难实现准确的磁场 定向控制，从而影响系统的动态性能。 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制间接矢量控制（4） PSIMPSIM仿真模型仿真模型 图7.16 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制间接矢量控制（4） PSIMPSIM仿真波形仿真波形 图7.17 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制直接矢量控制（1）
14、 转子磁链动态方程转子磁链动态方程 转差频率估计方程转差频率估计方程 转矩电流方程转矩电流方程 . 1 m rMs r L i p = + . m srTs rr L i = . 3 2 er Ts mr T L i P L = 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制直接矢量控制（2） 磁链 运算器 磁链 调节器 励磁电流 调节器 转矩电流 调节器 转矩 运算器 电压 Parke 逆变换 PWM 发生器 磁链 观测器 电流 Clarke 变换 电流 Parke 变换 转差 估计器 iTs iMs uqs uds FBS r i i * r r 电压源 逆变器 IM ia ib 动
15、力蓄电池组 sr * e T * Ms i * Ts i 图7.18 与IRFOC比较，DRFOC的特点呢？ 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制直接转矩控制（1） 坐标系坐标系 异步电动机的直接转矩控制的数学模型建立在两相静止坐标系，依赖定子电 路的电压电流关系。 定子电压方程定子电压方程 电磁转矩方程电磁转矩方程 . ssss ssss d uR i dt d uR i dt =+ =+ () 3 . 2 essss P Tii = 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制直接转矩控制（2） 定子磁链估计方程定子磁链估计方程 定子磁链转角方程定子磁链转角方程 定
16、子磁链转速方程定子磁链转速方程 () () . ssss ssss uR idt uR idt = = . s s arctg = . d dt = 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制直接转矩控制（3） 定子磁链滞环控制方程定子磁链滞环控制方程 * . sss E= . sss E 图7.20a 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制直接转矩控制（4） 电磁转矩滞环控制方程电磁转矩滞环控制方程 图7.20b * . eee ETTT= 0. ee TET 0. ee ETT 7.2 7.2 交流异步电动机控制交流异步电动机控制直接转矩控制（5） 图7.21a图7.21b SVPWMSVPWM空间电压扇区空间电
