车用永磁同步电机调速系统设计与仿真开题报告

全文总字数：8598字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1．研究背景和意义

改革开放以来，随着汽车工业的蓬勃发展，我国的汽车保有量逐年攀升，从2017年至2019年分别为2.08亿辆，2.35亿辆和2.6亿辆。汽车的普及为人们的出行带来了便捷，但是也带来的日益严峻的环境和能源问题。

为减少汽车对环境的污染、降低石油能源的消耗，我国“汽车工业十三五”强调以“绿色制造为思路”的低碳化新能源汽车为发展重点，预计到2025年新能源汽车产销量达到700万辆。与此同时，世界主要汽车生产大国在资源紧缺和环境污染的双重危机下纷纷行动，2017年以来，法国和英国相继宣布2040年起将不再出售柴油和汽油车型；德国、印度和比利时提出2030年起禁售燃油车计划；日本计划2030年起新能源汽车销量至少占总销量的一半。新能源汽车凭借其绿色和节能的优势得到世界各国的重视与青睐，成为全球汽车行业的热点之一。

2. 研究的基本内容与方案

1.研究（设计）的基本内容在电动汽车驱动系统中,永磁同步电机PMSM以其体积小、性能好、结构简单、可靠性高、输出转矩大等特点,得到了越来越广泛的应用和重视,是电动汽车驱动系统的最理想的选择。永磁同步电动机驱动的电动汽车控制系统选取电流环、速度环双闭环控制方案。内环电流环采用滞环电流控制,外环速度环采用传统的PI调节器,外环决定系统性能,同时噪声等因素给内环带来的扰动也可由外环加以抑制或弥补。为抑制干扰、减小脉动,使整个控制系统的性能得到提高与优化。以Matlab/Simulink中的PMSM控制模型为基础建立永磁同步电机调速控制系统的仿真模型，进行设计并进行仿真研究，其主要内容包括：（1）了解永磁同步电机PMSM的特点和工作原理；（2）分析永磁同步电动机驱动系统及控制方案；（3）建立永磁同步电机调速控制系统的仿真模型并进行仿真研究；（4）仿真结果分析。2.研究（设计）期望达成的目标纯电动汽车的工况需求是基速阶段频繁起动和加速，调速范围较宽且高速阶段要求有较好的转矩输出能力。针对以上需求特点，本文将调速范围划分为基速（低于额定转速）和高速（高于额定转速）的两个阶段。低速阶段实现电机的最大转矩输出以满足起动和加速等工况的需求，高速的调速范围内转矩输出不低于额定转矩，并在有负载扰动的情况下稳定运行。3.研究（设计）拟采用的技术方案根据以上分析，在基速以下，对PMSM采用最大转矩比电流(MTPA)控制，发现与常用的id=0控制相比，能提高PMSM的效率，并加快转速的动态响应过程;在基速以上，对PMSM采用弱磁控制，拓宽电机的转速范围，提高了汽车的高速稳定运行范围。然后，在具体方案上，对永磁同步电动机驱动的电动汽车控制系统选取电流环、速度环双闭环控制。内环电流环采用滞环电流控制,外环速度环采用传统的PI调节器,外环决定系统性能,同时噪声等因素给内环带来的扰动也可由外环加以抑制或弥补。以Matlab/Simulink中的PMSM控制模型为基础建立永磁同步电机调速控制系统的仿真模型，进行设计并进行仿真研究，初步设计的原理框图如图1所示。 图1 PMSM调速系统原理框图（见附件）4.研究（设计）拟采用的具体措施4.1永磁同步电机数学模型永磁同步电机原始模型在三相静止坐标系下是一个时变、非线性、强耦合以及多变量的复杂系统，在一般的实际坐标系中，分析和求解它的微分方程组非常困难。因此，提出了矢量控制这种控制思想，而在矢量控制中，坐标变换则是其关键所在。它是通过对坐标进行变换，从而保证坐标变换前后电流矢量的不变，以达到对坐标系进行简化的目的，简化之后的坐标系相比简化之前结构更简单，计算量更少，控制更容易，可以增强对系统的控制。这使得控制永磁同步电机像控制他励直流电机一样方便直接，这就是矢量控制的核心思想。在转子旋转两相坐标系d－q搭建的数学模型，是目前在矢量控制方法中应用最为广泛的模型，其基本方程如下：

定子电压方程：（见附件）

定子磁链方程：（见附件）把公式（2）代入公式（1），可得到新的定子电压方程为：（见附件）电磁转矩方程为：（见附件）其中:ud、uq分别是定子电压的d－q轴分量;id、iq分别是定子电流的d－q轴分量;Ｒ是定子的电阻;ψd、ψq为定子磁链的d－q轴分量;ωe是电角度;Ld、Lq分别是d－q轴电感分量;ψf代表永磁体磁链。经过简化后可得转子在d轴和q轴下的等效电路为：图2 PMSM等效电路图（见附件）4.2控制策略本文的空间矢量脉宽调制、MTPA控制算法以及弱磁控制都是建立在FOC的基础上。FOC主要思想是模拟直流电机的控制方式，调节励磁电流分量id和转矩电流分量iq以达到控制电机的目的。FOC控制方案中主要包含三个主要部分，控制调节器（包括速度环PI调节器和电流环滞环调节器）、坐标变换（包括Clark变换、Park变换和Park逆变换）模块和SVPWM模块。图2为PMSM的直交轴电流id－iq坐标系组成的平面，定子端电压Us和相电流Is受到逆变器输出电压和输出电流极限(Usmax和Ismax)的限制。由此可得到电流极限圆:（见附件）电压极限椭圆:（见附件）由公式(5)、(6)可以看出，电流极限圆是一个大小固定的圆，而电压极限椭圆是一个随着转速的上升而逐渐内缩的椭圆。 图3 PMSM电流极限圆、电压极限椭圆4.2.1最大转矩比电流（MTPA）控制因PMSM转子磁路结构不对称（隐极PMSM可以看做一种特殊的凸极PMSM），能够产生磁阻转矩，故在电机控制系统中，采用最大转矩/电流(MTPA)控制策略可充分利用磁阻转矩，从而提高电机的转矩输出能力和系统效率(使最大的劲，出最少的力)。电机d－q坐标系下的电机转矩方程:T_e=3/2 P_n [ψ_f i_d (L_d-L_q ) i_d i_q ]当永磁同步电机的永磁体产生的磁链和交直轴电感Ld与Lq确定后，电机的转矩Te取决于定子直交轴电流id和iq。在id－iq的平面内，产生同一转矩Te，可以有多种id和iq的组合，针对每一Te，总会找到一组(id，iq)离原点距离最近。而定子电流is为iq和id的合成矢量，这样每个Te对应一个最小的is。因此，MTPA控制能提高单位电流的转矩输出，一方面是由于电源直流母线电流的限制，在相同的电流限制下，MTPA控制方法能提供更高的转矩，从而改善汽车起步加速和爬坡的能力。另一方面，在电机产生同一输出转矩时，MTPA控制方法能优化配置交直轴电流，使得定子电流最小，从而降低电机的铜耗和逆变器损耗，提高了系统的效率，对于提高汽车续航里程有帮助。参考数学中求最优解的问题，MTPA控制可以描述为在转矩一定的约束条件下，对定子电流求最优解，即:（见附件）为了获取满足约束条件前提下is最小时的id、iq，利用拉格朗日定理，引入辅助函数:（见附件）式中λ为拉格朗日因子。对式(8)分别求偏导数，并令其等于0，再求解可得：（见附件）式中:Te为系统给定的转矩，其余参数如前所述。Id、Iq与转矩之间的关系可以通过实时在线运算，进而实现MTPA控制。而在工程实践中，为了提高系统的实时性，减轻MCU运算负担，往往对不同转矩下的交直轴电流进行离线计算标定，然后通过查表的方式实现MTPA控制。4.2.2弱磁控制随着车速的提高，电机转速在提高，反电动势也随之增加，逆变器电压达到饱和。如果转速超过基速，电机的相电压达到极限值，不能继续增加，相电压将无法补偿随转速增大而增大的反电动势，因此无法为此提供所需的相电压和反电动势之间的电压差。此时定子电流无法跟踪给定电流，最后导致MTPA控制策略失效，转速控制失败，使得汽车的车速不能达到驾驶员期望的目标车速。为了拓宽纯电动汽车的转速区间，需要对驱动PMSM进行弱磁控制。由于位于永磁同步电机转子上的永磁体磁链不可调，故通过调节定子电枢电流的大小和相位，使得在PMSM的d轴上产生一个与永磁体磁链方向相反的电励磁，从而减小d轴合成磁链的大小，达到弱磁控制的目的。（1）单电流弱磁控制传统的PMSM矢量控制系统中，有2个电流调节器分别调节d、q轴电流。如果q轴电压为正常数uq，在高速稳定工况电机转速为ωe时，由于d轴和q轴电流的交叉耦合，使得它们满足:（见附件）由式(10)可以看出:在转速一定且给定q轴电压的情况下，d轴电流和q轴电流成线性关系。这时可以通过调节d轴的电流，从而间接控制q轴电流。所以，只需要1个d轴电流控制器就可达到弱磁控制的目的。（2）uq的选定原则假设电机负载转矩和电机转速恒定，uq对运行点的影响如图4所示:点划线为恒转矩曲线，黑色实线为电压极限椭圆，点线为电流极限圆。在单电流控制下，id、iq为式(10)所示线性关系，即id、iq关系在id、iq平面上是一条直线。当uq增加，直线向右移动。 图4 PMSM运行点（见附件）图4中uq1＜uq2＜uq3。对于uq1和uq2，直线与恒转矩线的交点在电压极限椭圆内，则电机运行点为直线与恒转矩线的交点处，分别为A点和B点。对于uq3，如果要保持输出转矩，则运行点为C点，但C点在电压极限椭圆外，那么在uq3下，不能达到期望转矩。（3）梯度下降法修正uq单电流控制由分析可知，电机的稳定运行点为在电流极限圆、电压极限椭圆内的恒转矩曲线和式(10)表示的直线的交点。若满足电压电流的约束，uq增加，运行点沿着恒转矩曲线向右移动;反之uq减小，运行点沿恒转矩曲线向左移动。梯度下降法的思路是:在电压电流的约束下，根据电流下降梯度和恒转矩曲线切线方向的角度，判断能使运行电流减小的移动方向，并通过改变uq，使得运行点向电流减小的方向移动。经过推导可知，向左恒转矩方向和电流下降方向的向量积为（见附件）其中，当向量积f(x)＞0时，向左恒转矩方向与电流下降梯度方向夹角为锐角，应减小Uq的给定值，使得交点左移。同理，当向量积f(x)＜0时，向左恒转矩方向与电流下降梯度方向夹角为钝角，应增大Uq的给定值，使得交点右移。当夹角为直角时，保持当前给定Uq不变，此时的定子电流为满足运行工况的最小电流。另外，给定的Uq值必须在电压和电流极限(椭)圆内(图5)。 图5 PMSM最佳运行点（见附件）

3. 研究计划与安排

第1周：撰写并完成开题报告，无错字、别字，格式规范；

第2周：修改、完善开题报告，进行开题答辩，主要对研究意义（1-3句话）、目标（1-3句话）、内容（1-3句话）、技术路线，重点就技术路线中主电路框图、控制电路框图进行讲解；

第3周：撰写毕业设计论文目录，需要获得指导老师认可；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 文光亚.电动汽车永磁同步电机弱磁控制方法研究及性能分析[d].成都:电子科技大学,2018.

[2] 刘宏宇.永磁同步电机直接转矩控制的mtpa控制系统研究[d].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2017.

[3] 罗勇，吴霏，刘增玥,等.纯电动车用永磁同步电机控制策略研究[j].重庆理工大学学报(自然科学),2019,33(2):1-6.