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摘要本文围绕电动汽车用永磁同步电动机(PMSM调速系统展开工作，主要从控制角度研究扩展PMSM的调速范围。
永磁同步电动机具有体积小、效率高以及功率密度大等优点，特别是内置式PMSM具有较宽的弱磁调速能力。
上个世纪80年代以来，随着稀土永磁材料性价比的不断提高，以及电力电子器件的快速发展，永磁同步电动机的研究也进入了一个新的阶段。
矢量控制理论是交流调速领域的一个重大突破。
本论文详细讨论了永磁同步电动机的矢量控制，在推导其精确数学模型的基础上，分析了永磁同步电动机的几种矢量控制策略，包括了id=0控制、co sφ=1控制以及最大转矩/电流控制方式。
弱磁控制是永磁同步电动机矢量控制的前沿课题。
论文分析了永磁同步电动机弱磁调速原理，提出了三种特殊转子结构的新弱磁方案。
本文还围绕电动汽车用永磁同步电动机调速系统的硬件开发展开工作。
以TI公司专用于电机控制的TMS320LF2407A型数字信号处理器(DSP作为核心，开发了全数字化的PMSM矢量控制调速系统，并完成相应的系统硬件设计。
最后对所设计的电动汽车用永磁同步电动机驱动系统进行了初步的实验验证，表明采用本文所提出的全速范围弱磁控制算法具有较快的动态响应速度，可以满足调速系统弱磁性能要求。
关键词：永磁同步电动机；矢量控制；弱磁控制；控制器AbstractThis dissertation is devoted to the study on Permanent magnet synchronous motor (PMSM drive system for electric vehicle (EV application. It is mainly to improve the control of motors, then expand the scope of the motor speed. PMSM has the advantage of small volume, high efficiency and power density, especially inner permanent magnet synchronous motor have the ability of wide field-weakened operation. Therefore there search on PMSM has entered a new stage since the 1980’s with the improvement of ratio between the performance and the price of the rare earths PM material and the development of the power electronics devices. Vector control (VC theory is a great breakthrough in the AC speed control field. Also details of the VC of PMSM is presented in the paper，and the analysis of several circuit control strategies of VC theory applied to the PMSM control，which include theid=0 control，cosφ =1 control and the max torque/current control. The paper discusses the theory of weaking flux speed control of PMSM which is a new development direction. Then it brings out three new weaking flux plans，which have special rotor structures. This dissertation is devoted to the study of hardware on PMSMdrive system for EV application. Based on TI company DSP special-designed for motor control on TMS320LF2407A designs and develops a full-digital PMSM vector control system, and hardware of the system is accomplished. Finally, the experiment has been done for the drive which design in the paper. Result of the experiment indicate validity of the field-weakening method which introduced in the paper.Key word : PMSM Vector control field-weakened operation controller目录1 绪论 31.1 课题背景及意义 31.2电动汽车的发展现状及趋势 51.2.1 国内外主要国家电动汽车发展情况 51.2.2 电动汽车的发展趋势 71.3 永磁同步电动机弱磁控制研究现状 81.3.1从改进控制方法角度提高永磁同步电动机的弱磁能力 81.3.2从电机结构设计提高永磁同步电动机的弱磁能力 91.4 课题主要工作 92 电动汽车永磁同步电动机弱磁调速控制策略分析 102.1 永磁同步电动及数学模型 102.2 永磁同步电动机矢量控制原理 152.3 永磁同步电动机矢量控制基本电磁关系 162.3.1 电压极限椭圆 162.3.2 电流极限圆 182.3.3 恒转矩轨迹 182.3.4 最大转矩/电流轨迹 192.4 永磁同步电动电流控制策略 192.4.1 i d=0控制 192.4.2 控制 212.4.3 最大转矩/电流控制 222.4.4三种电流控制策略的比较 252.5 永磁同步电动机的弱磁控制 262.5.1 永磁同步电动机弱磁控制的基本原理 262.5.2 最大输入功率弱磁控制 292.5.3 永磁同步电动机弱磁扩速能力的提高 302.5.4 永磁同步电动机弱磁扩速困难原因分析 312.5.5 永磁同步电动机弱磁扩速方案 322.6 本章小结 343 电动汽车用永磁同步电动机的DSP控制 343.2电动汽车电机调速系统主电路设计 353.3 基于TMS320LF2407A DSP的电动汽车电机调速系统控制电路设计 353.3.1 速度给定模块 363.3.2 电机相电流检测电路 373.3.3 位置检测接口电路 383.3.4 PWM信号输出及动作保护电路 393.4 软件控制简要说明 403.5 转子位置与速度检测 413.5.1 转子位置检测 423.5.2 转子速度检测 433.5.3 最小和最大转速计算 431 绪论1.1 课题背景及意义汽车自1866年诞生以来，应用越来越广泛，技术不断发展，已经成为衡量一个国家物质生活和科学技术发展水平的重要标志，汽车工业己经成为世界经济和各国经济发展的支柱产业。
南京工程学院本科毕业设计（论文）题目：电动汽车异步电机矢量控制研究专业：汽车与轨道交通学院（车辆电子电气）班级：车电气111学号：215110507学生姓名：王蔚指导教师：赵伟军讲师起迄日期：2015.3.2～2015.6.12设计地点：车辆工程实验中心Graduation Design (Thesis) Study on the control of electric vehicle inductionmotor vectorByWei WangSupervised byProf. Weijun ZhaoNanjing Institute of TechnologyJune, 2015摘要在日常生活中，在各种各样的领域电动机都被广泛的应用着，人们渐渐地早已离不开电动机。
与之相对应的是越来越多的汽车被投入使用，但是传统汽车使用的内燃机在各个方面已经给人类带来了困扰，所以科学家们叫目光投入到用电动机去替代内燃机中去了。
纯电动汽车由此应运而生。
纯电动汽车一般是使用异步电机作为驱动，控制电机的方式多种多样，此时本文采取矢量控制的方式。
本文主要实现了异步电动机的驱动电路的绘制和控制程序的编程。
驱动电路的绘制是在protel 99 SE上完成的。
而软件编程则是基于Keil的平台。
本文采用STM32F103系列微处理器作为主控制器芯片，设计了以H桥模块、逆变电路模块为主要模块的异步电动机驱动电路，并通过编码器、霍尔电流传感器测量实际的电机运行参数得到反馈系数，编写了以矢量控制方式作为核心算法，电流控制的PWM电压源逆变位控制方式的转差型异步电动机矢量控制系统对三相交流电机进行控制。
关键词：电动汽车；异步电机；矢量控制；STM32ABSTRACTIn the daily life, in a wide variety of fields motor is widely used, people gradually can not get away from the motor. With more and more cars are put into use, but using the traditional automobile internal combustion engine in all aspects has to human troubled, so scientists call eyes into the motor to replace internal combustion engine to. Pure electric vehicles thus came into being.Pure electric vehicles generally use the induction motor as the drive, and control the way of the motor is varied, at this time this paper adopts the way of vector control..In this paper, the main asynchronous motor drive circuit drawing and control program programming. The drive circuit is drawn on the Protel 99 SE. And software programming is based on the Keil platform. The STM32F103 Series MCU as the main controller chip, the design of the H-bridge module, inverter module as the main module of the asynchronous motor drive circuit, and the encoder, the Hall current sensor measuring the actual operation parameters of the motor feedback coefficient, written in vector control as the core algorithm, current control PWM voltage source inverter bit control mode of slip type asynchronous motor vector control system for three-phase AC motor control.Keywords：electric vehicle，induction motor，vector control，STM32目录第一章绪论 (1)1.1 选题的背景及意义 (1)1.2 电动汽车的分类 (1)1.2.1 纯电动汽车 (2)1.2.2 混合动力汽车 (2)1.2.3 燃料电池汽车 (2)1.3 电动汽车电机的选择 (3)1.3.1直流电动机 (3)1.3.2 交流电动机 (4)1.4 异步电机调速的基本类型 (4)第二章矢量控制基本原理 (5)2.1 基本概念 (5)2.2 矢量控制的坐标变换 (7)2.2.1 定子绕组轴系的变换 (7)2.2.2 定子轴系的矢量旋转变换 (9)2.3 按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统 (10)2.4 气隙磁场定向的异步电机矢量控制系统 (10)2.5 定子磁场定向的异步电机矢量控制系统 (11)2.6 异步电机的矢量控制系统 (11)第三章空间电压矢量调制 SVPWM 技术 (13)3.1 SVPWM基本原理 (13)3.2 SVPWM 法则推导 (15)第四章硬件部分 (17)4.1 STM32的最小系统及其配备 (17)4.2 驱动电路 (18)4.3 逆变电路 (19)4.3.1 逆变的基本原理 (19)4.3.2 电压型逆变电路 (19)4.3.3 电流型逆变电路 (21)4.3.4 逆变电路的选择 (22)4.4 反馈型号的采集 (23)4.4.1电流的采集 (23)4.4.2 转子转速测量 (23)第五章软件部分 (25)5.1 STM32F103系类介绍 (25)5.2 通过DMA模块的多路ADC采集 (25)5.2.1 DMA模块 (25)5.2.2 ADC模块 (26)5.3 PID算法 (27)5.4 PWM控制 (28)第六章结论 (33)6.1论文总结 (33)6.2 感想 (33)致谢 (35)参考文献 (36)附录A：硬件设计原理图与PCB图 (37)第一章绪论1.1 选题的背景及意义如今，大街小巷汽车是无处不在，作为一种便利的交通方式，人们早已离不开汽车。
基于矢量控制的感应电机弱磁控制算法研究陶华堂;李强【摘要】变频调速控制系统要求电机具有宽范围的恒功率弱磁调速能力,并能输出较大的转矩.提出一种感应电动机弱磁状态下励磁电流和转矩电流轨迹控制的新方法.在满足电机和驱动器最大电压和电流约束条件的前提下,对电机励磁电流轨迹和转矩电流轨迹分别独立控制,实现全速度范围内的最大转矩输出.设计了该弱磁控制算法的实现策略,并在7.5 kW感应电机上进行实验研究,与传统弱磁控制方法相比,提出的弱磁控制方法可以输出更大的转矩,电流波动小,系统更稳定.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2016(046)003【总页数】5页(P7-11)【关键词】感应电机;矢量控制;弱磁;最大转矩电流比控制【作者】陶华堂;李强【作者单位】中国卫星海上测控部,江苏江阴214400;中国卫星海上测控部,江苏江阴214400【正文语种】中文【中图分类】TM30感应电机具有转子结构坚固、可靠性高、成本低、转矩波动小和噪声小等优点。
基于矢量控制的感应电机变频调速系统被广泛应用于家用电器、电梯曳引、电动汽车、数控机床、船舶动力等领域。
采用电压源逆变器驱动电机时，由于受到逆变器最大输出电压和最大输出电流的限制，需要采用弱磁调速等方法使电机输出最大转速，且高速时仍能最大限度输出电磁转矩。
传统的弱磁控制方法是在基速以上，控制电机磁链和电机转速成反比［1-2］，这种方法简单易实现，但是没有输出最大转矩电流比，即没有最大限度输出转矩；文献［3］提出了一种过调制算法，用来实现永磁同步电机的弱磁调速，但是该方法实现起来较困难；文献［4-11］提出的查表修正方法目前较为流行，主要是根据电机的转速通过查表修正电机励磁电流iM和转矩电流iT，此类方法简单易实现，应用也较为广泛，但是受电机本身参数影响较大；文献［12］提出了一种通过控制电机电压轨迹的方法实现电机弱磁调速控制，该方法不受电机参数影响，但前提是要获得电机励磁电流的大小。
一种异步电机定子磁链弱磁控制方法张星;瞿文龙;陆海峰;樊扬;程小猛【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2008(027)003【摘要】本文提出了一种电动汽车用异步电机的定子磁链弱磁控制方法,通过引入定子参考电压与逆变器能提供的电压值的比较,确定电机的运行区域,进而确定能够输出最大转矩的励磁电流,再结合给定转矩求出定子磁链参考值.本方法采用定子参考电压与母线电压对应值的比较,仅需简单计算即能实现恒转矩、恒功率、降功率区域的平滑过渡.在逆变器和电机的电压、电流能力一定时,能够输出最大转矩.无需转子磁链定向,适用于定子磁链控制的场合.通过动态调整转矩给定限制值可保证电机稳态运行不过流.仿真和实验结果证明了本方法的有效性.【总页数】5页(P54-57,80)【作者】张星;瞿文龙;陆海峰;樊扬;程小猛【作者单位】清华大学电机系电力系统国家重点实验室电力电子分室,北京,100084;清华大学电机系电力系统国家重点实验室电力电子分室,北京,100084;清华大学电机系电力系统国家重点实验室电力电子分室,北京,100084;清华大学电机系电力系统国家重点实验室电力电子分室,北京,100084;清华大学电机系电力系统国家重点实验室电力电子分室,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TM343【相关文献】1.一种改进的异步电机电压闭环弱磁控制方法 [J], 张文翔;曾岳南;李海波2.一种电动汽车用异步电机弱磁控制方法 [J], 朱小燕;王群京;漆星;谢芳;周成;李国丽3.一种改进的异步电机弱磁控制方法 [J], 张恒;文小琴;游林儒4.一种转矩优化的异步电机弱磁控制方法 [J], 邓伟;赵继敏5.一种异步电机弱磁控制方法仿真分析 [J], 王发良因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
异步电机弱磁调速异步电机矢量控制的调速范围可以通过减弱磁场来增大，这种调速方式被称作“弱磁调速”，在Turbo PMAC中，可以通过一个简单的程序来实现这种调速方式。
弱磁调速的基本用法是：当转速达到现有电枢电压下的极限（即反向电动势等于电枢电压）减弱转子场强，以达到速度极限增大的效果。
磁场强度在一定范围内与速度大致成反比，磁场强度是由定子的Id（平行于磁场方向的电流）指令控制，在Turbo PMAC中为Ixx77变量。
但实际磁场变化会滞后于Ixx77一个相对较大的电气时间常数（电感的电流滞后于电压）。
Turbo PMAC的“滑差（转差）增益”参数Ixx78是相更新时间（相周期）除以转子时间常数，Turbo PMAC使用“滑差增益”与“开环估计器”计算代表磁场强度的转子励磁电流。
我们也可以使用Ixx78滑差增益预测转子励磁电流的滞后，还可以加速定子Id指令的变化以对滞后做出一定的补偿。
由于这个算法并非每个相周期都会运行，我们将针对PLC0计算等效的滑差时间常数，一个介于实时中断与转子电气时间常数之间的值。
由于转子的磁场强度决定电机的力矩常数，因此控制场强也相当于控制了反馈回路增益，在减弱磁场的同时回路增益也将减小。
为对此做补偿，我们需要同时更改位置环比例增益Ixx30，Ixx30的变化应与估计的转子励磁电流成反比，以确保回路全局增益保持不变。
下面的例子是在4号电机上操作，您可以做简单的更改以操作其他电机。
它基于期望速度来控制磁场，因期望速度比实际速度更平滑，但在使用时应确保实际速度与期望速度相差不是太大，否则，应使用实际速度控制磁场。
；变量替换及定义；I变量#define ServoPeriod I(I19+5) ；每个伺服周期内相周期个数#define PLC0Period (I8+1) ；每个实时中断周期内伺服周期个数#define Mtr4CmdId I477 ；指令直接电流（Id）#define Mtr4SlipGain I478 ；滑差增益，由转子时间常数得出#define Mtr4PropGain I430 ；控制回路增益#define Mtr4MaxIq I469 ；伺服输出限幅值（Iq，力矩电流）；用于自动计算的M变量#define Mtr4EstIm M480 ；估计励磁电流，PMAC自动计算Mtr4EstIm->Y:$000237,8,16,S ；以Ixx77为单位#define Mtr4ActId M476 ；实际Id，来自（霍尔）传感器Mtr4ActId->Y:$000239,8,16,S ；以Ixx77为单位#define Mtr4DesVel M455 ；期望速度Mtr4DesVel->X:$00021A,0,24,S ; 1/[Ixx08*32]cts/[Ixx60+1]cyc#define Mtr4ActVel M456 ；实际速度，来自编码器Mtr4ActVel->X:$00021D,0,24,S ; 1/[Ixx09*32]cts/[Ixx60+1]cyc；用于算法的P变量#define Mtr4DesIm P470 ；期望的励磁电流#define Mtr4LastDesIm P471 ；上一周期期望励磁电流#define Mtr4BaseSpeed P472 ；励磁电流饱和时的最大速度（基础转速）#define BaseSpeedFrac P473 ；基础场强（减弱磁通前的磁场强度）的百分比#define Mtr4CtsPerRev P474 ;解码后编码器分辨率（这里为×4）；#define Mtr4BaseRPM P475 ；空载基础转速rev/min#define Mtr4BaseKp P476 ；基础比例增益#define Mtr4BaseId P477 ；基础场强下的定子Id#define Mtr4DesId P478 ；非极限值的期望Id#define Mtr4MinIm P479 ；最小励磁电流#define Mtr4Tslip P480 ；实时中断时间/转子时间常数#define MaxIdqSqrd P481 ; Id 与Iq矢量和最大值；；设置常量（在线指令并保存，或上电、后台PLC）BaseSpeedFrac=0.9 ；基础场强的90%Mtr4BaseRPM=1800 ；空载基础速度Mtr4CtsPerRev=2000 ；500线编码器，×4解码；计算带载基础速度cts/msMtr4BaseSpeed=BaseSpeedFrac*Mtr4BaseRPM*Mtr4CtsPerRev/60000；以内部单位重新计算指令速度Mtr4BaseSpeed=Mtr4BaseSpeed*((I10*(I460+1)/8388608)*I408*32Mtr4BaseId=3000 ；低转速指令IdMtr4MinIm=1000 ；高转速指令IdMtr4BaseKp=200000 ；低转速伺服比例增益Mtr4Tslip=Mtr4SlipGain*ServoPeriod*PLC0Period ；单位用于PLCC0 MaxIdqSqrd=32767*COS(30)*32767*COS(30) ；最大矢量励磁电流OPEN PLCC 0 CLEAR；基于速度计算转子期望励磁电流IF (ABS(Mtr4DesVel) < Mtr4BaseSpeed)Mtr4DesIm=Mtr4BaseId ；饱和场强ELSEMtr4DesIm=Mtr4BaseId*Mtr4BaseSpeed/ABS(Mtr4DesVel) ；减弱磁场IF (Mtr4DesIm < Mtr4MinIm)Mtr4DesIm=Mtr4MinIm ；使用最小值ENDIFENDIFMtr4CmdId=(Mtr4DesIm-(1-Mtr4Tslip)*Mtr4LastDesIm)/Mtr4TslipMtr4LastDesIm=Mtr4DesIm ；保存，用于下次查询IF (Mtr4DesIm < Mtr4MinIm)Mtr4DesIm=Mtr4MinIm ；使用最小值ENDIFMtr4MaxIq=SQRT(MaxIdqSqrd-Mtr4CmdId*Mtr4CmdId) ；Iq限制IF (Mtr4EstIm < 0.98*Mtr4BaseId) ；减弱磁场？Mtr4PropGain=Mtr4BaseKp*Mtr4BaseId/Mtr4EstIm ；增加增益用于补偿ELSEMtr4PropGain=Mtr4BaseKp ；使用基础比例增益ENDIFCLOSEInduction Motor Field WeakeningThe speed range of vector-controlled induction motors can be increased by varying the strength of the rotor field as a function of velocity, a technique commonly known as “field weakening”. In Turbo PMAC, a simple program can be used to implement this field weakening functionality. The fundamental strategy in field weakening is to reduce the strength of the magnetic field of the rotor when the velocity is high enough that the back EMF would limit the current that could be used to drive the motor. The field strength should be roughly inversely proportional to the speed in this range. The field strength is controlled through the stator direct current command value, Ixx77 for the motor, but changes are delayed by the relatively long electrical time constant of the rotor. Since Turbo PMAC’s “slip gain” parameter Ixx78 is simply the phase update time divided by the rotor time constant, Turbo PMAC uses the slip gain parameter with an open-loop estimator to calculate the estimated rotor “magnetization current”, which represents the field strength.We can also use the Ixx78 slip gain parameter here to anticipate the delays in changing the rotor magnetization current, and use it to provide “accelerated” changes to the commanded stator direct current and largely compensate for these delays. Because this algorithm does not run every phase cycle, we compute the equivalent slip time constant for PLC 0 – the ratio between the real-time-interrupt period and the rotor electrical time constant.Because the rotor’s magnetic field strength determines the motor’s torque constant, and is therefore a gain term in the overall feedback loop, weakening the field lowers the loop gain. To compensate for this, we change the position loop’s proportional gain term Ixx30 inversely to the estimated rotor magnetization current to keep the overall loop gain approximately constant.This example operates on Motor 4, but it would be simple to change it to other motors. It controls the field based on desired velocity, which has less jitter than the actual velocity measurements. This does require that the actual velocity not deviate too much from the desired velocity. If it cannot be assumed that this is true, actual velocity should be used instead.; Substitutions and definitions; I-Variables#define ServoPeriod I(I19+5) ; Phase cycles per servo cycle#define PLC0Period (I8+1) ; Servo cycles per RTI cycle#define Mtr4CmdId I477 ; Commanded direct current#define Mtr4SlipGain I478 ; From rotor time constant#define Mtr4PropGain I430 ; Controls loop gain#define Mtr4MaxIq I469 ; Servo output limit; M-variables for automatically calculated values#define Mtr4EstIm M480 ; PMAC does automaticallyMtr4EstIm->Y:$000237,8,16,S ; In units of Ixx77#define Mtr4ActId M476 ; From sensors, xformedMtr4ActId->Y:$000239,8,16,S ; In units of Ixx77#define Mtr4DesVel M455 ; Includes overrideMtr4DesVel->X:$00021A,0,24,S ; 1/[Ixx08*32]cts/[Ixx60+1]cyc#define Mtr4ActVel M456 ; From sensorMtr4ActVel->X:$00021D,0,24,S ; 1/[Ixx09*32]cts/[Ixx60+1]cyc; P-variables for algorithm#define Mtr4DesIm P470 ; Desired rotor mag current level#define Mtr4LastDesIm P471 ; Last cycle’s desired level#define Mtr4BaseSpeed P472 ; Max speed for full mag current#define BaseSpeedFrac P473 ; % of base to start weakening#define Mtr4CtsPerRev P474 ; Encoder res after decode ；#define Mtr4BaseRPM P475 ; No-load base speed in rev/min#define Mtr4BaseKp P476 ; Ixx30 prop gain below base#define Mtr4BaseId P477 ; Ixx77 direct current below base#define Mtr4DesId P478 ; Desired Id before limits#define Mtr4MinIm P479 ; Minimum Im value#define Mtr4Tslip P480 ; T(RTI)/T(rotor)#define MaxIdqSqrd P481 ; Sqr of max vect mag of Id & Iq ；; Set constants (on-line and SAVE, or in power-on or background PLC) BaseSpeedFrac=0.9 ; Start weakening at 90% of base Mtr4BaseRPM=1800 ; No-load base speedMtr4CtsPerRev=2000 ; 500-line encoder, x4 decode; Calculate loaded base speed, first in cts/msecMtr4BaseSpeed=BaseSpeedFrac*Mtr4BaseRPM*Mtr4CtsPerRev/60000; Now re-calculate in internal units of commanded velocityMtr4BaseSpeed=Mtr4BaseSpeed*((I10*(I460+1)/8388608)*I408*32Mtr4BaseId=3000 ; Command Id at low speedsMtr4MinIm=1000 ; Command Id at highest speeds Mtr4BaseKp=200000 ; Servo prop gain at low speedMtr4Tslip=Mtr4SlipGain*ServoPeriod*PLC0Period ; In units for PLCC 0 MaxIdqSqrd=32767*COS(30)*32767*COS(30) ; Max current vec mag OPEN PLCC 0 CLEAR; Compute desired rotor mag current based on speedIF (ABS(Mtr4DesVel) < Mtr4BaseSpeed)Mtr4DesIm=Mtr4BaseId ; Full field strength ；ELSEMtr4DesIm=Mtr4BaseId*Mtr4BaseSpeed/ABS(Mtr4DesVel) ; Weakened field IF (Mtr4DesIm < Mtr4MinIm)Mtr4DesIm=Mtr4MinIm ; Use minimum valueENDIFENDIFMtr4CmdId=(Mtr4DesIm-(1-Mtr4Tslip)*Mtr4LastDesIm)/Mtr4TslipMtr4LastDesIm=Mtr4DesIm ; Save for next scanIF (Mtr4DesIm < Mtr4MinIm)Mtr4DesIm=Mtr4MinIm ; Use minimum valueENDIFMtr4MaxIq=SQRT(MaxIdqSqrd-Mtr4CmdId*Mtr4CmdId) ; Quad current limitIF (Mtr4EstIm < 0.98*Mtr4BaseId) ; Weakened field?Mtr4PropGain=Mtr4BaseKp*Mtr4BaseId/Mtr4EstIm ; Raise gain to comp ELSEMtr4PropGain=Mtr4BaseKp ; Use standard gainENDIFCLOSE。
谈谈新能源电机扭矩控制—弱磁场控制(1)本讲开始，笔者将分4次对电机扭矩控制中的弱磁场控制进行详细介绍！对于新能源电机扭矩控制，除了电流控制、电流谐波重叠控制、振动隔离处理控制外，至少还包括：弱磁场控制、扭矩推测控制、相电流平均电流推测、振动抑制控制、电机转速FB控制、扭矩指令值计算、dq 轴变换控制、车轮转速控制等。
今天，笔者将继续对电机扭矩控制的其他模块进行详细介绍，接着振动隔离处理控制谈谈电机扭矩控制中的弱磁场控制技术。
首先，我们一起回顾下电机扭矩控制功能的整体控制框图，如下图所示：以整车控制器(VCU)输出的扭矩目标值为起点，虚线框图表示电机MCU扭矩处理的整体控制流程简图，具体控制流程如下：当电机MCU获取VCU的扭矩目标指令值后，扭矩控制模块会根据扭矩推测值输出电流指令值给弱磁场控制模块，弱磁场控制模块会综合考虑效率和能耗将电流目标值输出给电流控制模块，然后电流控制模块会结合电流目标值以及电流实际值，将电压指令值输出给电压控制模块，最后，电压控制模块会将Gate信息给到IGBT模块，由IGBT控制模块对通道进行打开和关闭控制。
此外，电机MCU内置模式控制方式，根据车辆不同的工况和负荷，分别对扭矩控制模块、弱磁场控制模块、电流控制模块以及电压控制模块的控制参数进行调整；同时，扭矩推测模块根据电流实际值以及电压指令值，通过内部算法将扭矩推测值输出给扭矩控制模块，对电流指令值的正确发出起到一个非常核心的参考作用。
因此，对于电机扭矩控制，由上图可以看出：基于电流指令值调整电流目标值，使电压指令值不脱离期望的电压值，其中扮演重要角色的就是“电机的弱磁场控制”。
对于以上弱磁场控制的核心目标，就是通过调整电流目标值，使电源电压上可施加的电压不超过目标值来实现的！同样的，在提出需求前，我们先来看看弱磁场领域的控制方法，如下图所示：在弱磁场领域内，电压限制椭圆和扭矩曲线的交点为可能输出效率最高的扭矩点。
ELECTRIC DRIVE 2013Vol.43No.4电气传动2013年第43卷第4期一种电动汽车用异步电机弱磁控制方法朱小燕，王群京，漆星，谢芳，周成，李国丽（安徽大学电气工程与自动化学院，安徽合肥230601）摘要：为实现电动汽车用异步电机的宽范围调速，提出一种新的电压轨迹弱磁控制方法。
该方法无需查表，可降低对电机参数的敏感性。
此外，电压轨迹可以达到空间矢量调制的六边形，有效提高直流侧电压利用率。
该方法以逆变器调制波的开关周期与导通时间之差控制定子电流励磁分量。
当导通时间小于开关周期时为恒转矩控制，相反即为弱磁控制。
同时，对电压和电流限制可以实现恒转矩区向弱磁区的平稳过渡。
系统仿真与实验结果均验证了该方法的有效性。
关键词：弱磁；异步电机；电压轨迹中图分类号：TM464文献标识码：AA Novel Field -weakening Control of Induction Motor for Electric Vehicles ZHU Xiao -yan ，WANG Qun -jing ，QI Xing ，XIE Fang ，ZHOU Cheng ，LI Guo -li（College of Electrical Engineering and Automation ，Anhui University ，Hefei 230601，Anhui ，China )Abstract:In order to implement the speed regulation in a wide range ，a new voltage trajectory field -weakening control of induction motor for electric vehicles was proposed.The presented method does not require a lookup table and reduces the parameter sensitivity.Moreover ，the voltage trajectory can reach hexagon of the space vector modulate such that the DC -link voltage utilization can be extended.The differences between the switching period and the summation of active switching times for inverter pulse width modulation control the flux component of stator current.As the active switching times is less than its switching period ，constant torque is retained.In contrast the field -weakening control is considered.Meanwhile ，smooth and automatic transition from constant torque region to field -weakening region can be achieved by the voltage and current constraints.Experimental and simulation results will be presented to fully support the claims.Key words:field weakening ；induction motor ；voltage trajectory1引言作者简介：朱小燕（1987-），女，硕士研究生，Email ：keaiazhu@基金项目：安徽省2011年度科技攻关项目（11010202124）目前，异步电机因价格低廉、可靠性高、维护简单、控制技术成熟而被广泛应用于电动汽车驱动系统，尤其在大功率场合中占据重要地位。
一种电动汽车用异步电机弱磁控制方法朱小燕;王群京;漆星;谢芳;周成;李国丽【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2013(43)4【摘要】In order to implement the speed regulation in a wide range,a new voltage trajectory field-weakening control of induction motor for electric vehicles was proposed.The presented method does not require a lookup table and reduces the parameter sensitivity.Moreover,the voltage trajectory can reach hexagon of the space vector modulate such that the DC-link voltage utilization can be extended.The differences between the switching period and the summation of active switching times for inverter pulse width modulation control the flux component of stator current.As the active switching times is less than its switching period,constant torque is retained.In contrast the field-weakening control isconsidered.Meanwhile,smooth and automatic transition from constant torque region to field-weakening region can be achieved by the voltage and current constraints.Experimental and simulation results will be presented to fully support the claims.%为实现电动汽车用异步电机的宽范围调速,提出一种新的电压轨迹弱磁控制方法.该方法无需查表,可降低对电机参数的敏感性.此外,电压轨迹可以达到空间矢量调制的六边形,有效提高直流侧电压利用率.该方法以逆变器调制波的开关周期与导通时间之差控制定子电流励磁分量.当导通时间小于开关周期时为恒转矩控制,相反即为弱磁控制.同时,对电压和电流限制可以实现恒转矩区向弱磁区的平稳过渡.系统仿真与实验结果均验证了该方法的有效性.【总页数】4页(P26-29)【作者】朱小燕;王群京;漆星;谢芳;周成;李国丽【作者单位】安徽大学电气工程与自动化学院,安徽合肥230601;安徽大学电气工程与自动化学院,安徽合肥230601;安徽大学电气工程与自动化学院,安徽合肥230601;安徽大学电气工程与自动化学院,安徽合肥230601;安徽大学电气工程与自动化学院,安徽合肥230601;安徽大学电气工程与自动化学院,安徽合肥230601【正文语种】中文【中图分类】TM464【相关文献】1.一种转矩优化的异步电机弱磁控制方法 [J], 邓伟;赵继敏2.基于矢量控制的电动汽车用异步电动机弱磁控制方法 [J], 窦汝振;辛明华;杜智明3.电动汽车用异步电机弱磁运行的最大转矩控制 [J], 窦汝振;吴志新;赵春明4.电动汽车用异步电机弱磁控制综述 [J], 林立;王智琦;黄同成;陈红专;陈鸿蔚5.一种异步电机弱磁控制方法仿真分析 [J], 王发良因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于矢量控制的电动汽车用异步电动机弱磁控制方法
窦汝振;辛明华;杜智明
【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2009(36)5
【摘要】对需要异步电动机恒功率运行的应用领域,特别是电动汽车这种需要大范围扩速运行的情形,弱磁控制是一个非常重要的方法.基于矢量控制提出一种恒交轴电压弱磁控制方法,该方法与电机参数无关,稳定性强,实现简单,试验结果验证了该方法的正确性和有效性.
【总页数】3页(P25-27)
【作者】窦汝振;辛明华;杜智明
【作者单位】中国汽车技术研究中心,天津,300162;中国汽车技术研究中心,天津,300162;中国汽车技术研究中心,天津,300162
【正文语种】中文
【中图分类】TM301.2:TM343
【相关文献】
1.一种应用于电动汽车的异步电动机矢量控制方法 [J], 聂晓华;肖倩华;刘建国;张晓倩
2.异步电动机三闭环模糊PI矢量控制方法研究 [J], 李实求;郝帅;马旭;程咏梅
3.一种电动汽车用异步电机弱磁控制方法 [J], 朱小燕;王群京;漆星;谢芳;周成;李国丽
4.电动汽车用永磁同步电动机功率特性及弱磁扩速能力研究(一)——恒转矩控制及
弱磁控制时的功率特性 [J], 徐衍亮
5.电动汽车用永磁同步电动机功率特性及弱磁扩速能力研究(二)——最大输入功率弱磁控制的功率特性及等效电流控制策略 [J], 徐衍亮
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于矢量控制的电动汽车用异步电动机弱磁控制方法窦汝振,辛明华,杜智明(中国汽车技术研究中心,天津300162)摘要:对需要异步电动机恒功率运行的应用领域,特别是电动汽车这种需要大范围扩速运行的情形,弱磁控制是一个非常重要的方法。
基于矢量控制提出一种恒交轴电压弱磁控制方法,该方法与电机参数无关,稳定性强,实现简单,试验结果验证了该方法的正确性和有效性。
关键词:矢量控制;弱磁控制;异步电动机中图分类号:TM301.2B TM343文献标识码:A文章编号:1673-6540(2009)05-0025-03F iel dW eakening Control of A synchronousM otors Based on V ector ControlDOU Ru-zhen,X I N M i n g-hua,DU Zhi-m ing(Ch i n a A uto m otive Technology&Research C enter,T i a nji n300162,Ch i n a)Abstract:The field w eaken i ng contro l is i m portan t for the i nducti on mo tor.s constant pow er ope ration that i s re-qu ired by t he e l ec tric veh icle.Based on the detail ed theo retical analysis,usi ng t he vector contro,l a constant q-ax i s sta t o r vo ltage fi e l d weaken i ng controlm e t hod t hat is stab l e,i ndependent o fm otor para m ete rs is presented.Its vali d it y is prov ed by experi m ental resu lts.K ey word s:vector con tro;l field weaken i ng con tro;l asynchronou sm otors0引言异步电动机结实耐用,在矿山机械、航空航天、轨道交通、电动汽车等领域有着广泛应用。
异步电动机运行时,其电压会受到供电电压的限制,而电流的增大也会受到电机及变频器的容量限制。
因此,异步电动机运行在基速以上时需要采用适当的弱磁方法,在满足电机及逆变器的电压和电流限制条件下,得到尽可能大的电机转矩输出和功率输出及良好的系统动、静态特性[1]。
此外,异步电动机弱磁运行时的参数变化较大,因此期望所采用的弱磁控制方法具有较强的参数鲁棒性。
国内、外已有的以矢量控制为基础的弱磁控制方法基本可分为以下三类[2-4]。
(1)1/X r弱磁。
如式(1)所示,该方法是在电机转速高于额定转速后将转子磁链给定值设定为与转子转速成反比。
7rd=7rd nX nX r(1)式中:7r dn)))额定转子磁链;X n)))额定转速;X r)))电机转速。
(2)恒压弱磁。
这类方法保持电机电压为额定电压,根据电压控制环的输出来控制电机的励磁电流,与电机参数无关,但转矩电流和励磁电流耦合强,电流调节器易于饱和。
(3)励磁电流的解析控制。
电机的励磁电感存在磁饱和现象,电感参数会随着励磁电流的调整而发生变化。
因此,在电机及励磁电感建模的基础上,采用精确的弱磁电流解析形式,提高电机的转矩输出能力和动态响应。
但这类方法的有效性依赖于电机参数的准确性,励磁电流控制开环,鲁棒性较差。
本文对基于转子磁链定向控制的异步电机弱磁控制方法进行了分析,并提出了一种基于交轴电压控制的弱磁控制方法,该方法简便易行。
)25)1 异步电动机数学模型采用转子磁链定向的矢量控制,异步电动机在dq 同步坐标系下的电压方程[2]为:u s d =R s i s d +R L s p i s d +L mL r p 7r d -X e R L s i s q (2)u s q=R s i s q +R L s p i s q +X e R L s i s d +Lm L r7r d(3)式中:u s d ,u s q )))分别为d 、q 轴定子电压;i s d ,i s q )))分别为d 、q 轴定子电流;R )))漏感系数;L s )))定子电感;L m )))互感;L r )))转子电感;X e )))电机同步转速;7r d )))d 轴转子磁链;R s )))定子电阻;p )))微分算子。
电机电磁转矩T e 为:T e =1.5n p L 2mL ri s d i s q(4)式中,n p 为极对数。
这里分析的是异步电动机的弱磁高速运行,可忽略定子电阻压降[2]。
此时,由式(2)、(3)可得到异步电动机的稳态电压方程为:u s d =-X e R L s i s q (5)u s q =X e L s i s d(6)电机及逆变器要受到容量的限制,式(7)、(8)给出了电机需要满足的最大电压和最大电流限制条件:u 2s d +u 2s q [V 2sm (7)i 2s d +i 2s q [I 2s m(8)式中,V s m 和I s m 分别为定子电压、电流的限幅值。
将式(5)、(6)代入式(4)后可得到[5]:T e =K v u s d u s q(9)其中:K v 是一个与电机运行频率有关的参量,K v =-1.5n p L 2mR L r L 2s X 2e。
2 恒u s q 控制通常采用恒压弱磁控制方法时,会将电机的运行电压保持在额定电压,即V s m =V sn ,此时:u 2s d +u 2s q =V 2sn(10)将式(5)、(6)代入式(8)可得:u s dX e L s2+u s q X e R L s2[I 2s m(11)则电机在(u s d -u s q )平面上的约束轨迹见图1。
图1 电压电流约束下的电机-电压轨迹由图1可知,电机输出功率随转速的升高而下降。
原因在于电机漏抗压降会随转速的升高而升高,定子电压被限制在额定电压时会导致转子反电势及电机输出能力的下降。
事实上,采用矢量控制后,可以用正交分量(u s d u s q )来合成定子电压。
此时,忽略定子电阻压降,空载时u s U X eL mL r 7rU u s q 。
根据电机等效电路得到的定子电压矢量合成见图2,而根据式(5)、(6)得到的合成方式见图3。
图2 电压矢量合成图3 dq 轴电压矢量合成可以看出,在弱磁区域保持u s q 恒定即可近似保持转子反电势的恒定,从而实现对励磁电流的控制;而转矩增大引起的漏抗电压的升高则由u s d 来提供;定子电压会随着负载的增加而有所增加。
采用恒u s q 控制时的整个异步电机控制系统的原理框图如图4所示。
)26)2009,36(5)电机控制及其在交通行业中的应用专题x EMCA图4恒us q弱磁控制系统框图此时,对励磁电流的调节由u s q的控制环自行调节完成,与恒压控制方式相比,减少了总电压的计算需要。
考虑到电机的负载大小、电压承受能力和运行的最高转速,u s q的控制参考值可根据电机的实际应用情况进行标定。
一般可以考虑在V dc/3与V d c/2之间选择。
与恒压弱磁相比,由于u s q保持不变,因此在转速一定的条件下,如式(6)所示,当负载变化时,电机的励磁不会发生变化,这就可以提供更快的动态转矩响应。
采用矢量控制和恒u s q的弱磁控制,对一台纯电动大客车用异步电动机驱动系统进行了台架试验,并将本方法与恒压弱磁控制方法的试验结果进行了比较,在80%额定负载下得到的结果如图5所示。
控制平台基于T M S320F2407所开发,电机主要参数如下:P N=100k W,I N=297A,V N= 240V,T N=514N#m,n N=1860r/m i n。
从图5可以看出,采用恒u s q控制后,电机的转矩输出能力得到了提高,且电机输出功率能够保持近似恒定,定子电压会随着转速的升高而有所上升。
这与前面的理论分析是一致的。
(a)定子电压(b)转矩(c)功率图5恒us q及恒压弱磁时的输出比较3结语本文所提出的恒交轴电压(u s q)控制方法具有实现简单,与电机参数无关,转矩动态响应快等优点。
漏抗的存在和电压的限制是电机结构及供电电源本身所决定的。
尽管通过控制方式的改进可以改善电机的输出能力,但在电动汽车等工程应用领域,更应着重研究电机驱动系统一体化设计,在输出功率和母线电压间进行优化设计,以获得更优的系统性能。
=参考文献>[1]陈伯时,谢鸿鸣,交流传动系统的控制策略[J].电工技术学报,2000,15(5):11-15.[2]X u X,N ovotny D W.Se lecti ng the fl ux re ference f o ri nduction m ach i ne dr i ves i n the fi e l d w eaken i ng reg i on[C]M I A S,1991(1):361-367.[3]Sattl er K,Scha fer U,G hey sens R.F ield or i ented con-tro l o f an i nducti on mo tor w ith fi e l d weaken i ng underconsi derati on of satura ti on and rotor hea ti ng[C]MPESD,1990(1):286-291.[4]Bunte A,G rotsto llen H,K ra f ka P.F i e l d w eakening o fi nduction mo tors i n a v ery w ide reg i on w it h regard t opara m eter uncerta i nties[C]M PESC,1996(1):944-950.[5]窦汝振,吴志新,赵春明.电动汽车用异步电动机弱磁运行的最大转矩控制[J].电机与控制应用,2006,33(12):40-42.收稿日期:2008-10-21)27)。
