电动机汽车交流调速仿真研究.docx

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电动机汽车交流调速仿真研究

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电动机汽车交流调速仿真研究

摘要：

本文介绍了MATLABR2008a作为后台仿真工具的异步电动机变频调速系统仿真设计平台的设计与实现，阐述了平台软件的设计思想、设计结构，系统讨论了仿真设计平台的建模、编程和图形界面设计。

首先，基于异步电动机稳/动态数学模型分别在MATLAB/SIMULINK中搭建了恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制的异步电动机变频调速系统仿真模型，详细介绍了该模型各个功能模块的设计。

其次，针对变频调速系统故障情况做了研究一推导出基于开关符号函数的逆

变器数学模型，针对逆变器本身故障工况，搭建了相应的异步电动机变频调速系统仿真模型，并分析故障特征，为变频调速系统的故障仿真研究、冗余设计提供了必要的基础。

最后，讨论了MATLAB混合编程方法，并将此方法运用到异步电动机变频调速系统的建模与仿真中，成功开发了异步电动机变频调速系统仿真设计平台软件，并通过设计实例证明了其有效性。

关键词：

异步电动机变频调速；仿真设计；MATLAB混合编程；

Abstract

Themechanicalsuperchargerisakindofaninternalcombustionenginesuperchargingdevice,byraisingthedensityoftheintakeairoftheinternalcombustionenginetoenhancethepoweroftheinternalcombustionenginehasbeenwidelyappliedinthefieldofinternalcombustionenginesupercharger.Duetothepresenceoftraditionaldevelopmentmodelofthemechanicalsuperchargerdevelopmentcycleislong,complicatedprocess,thehighcostofdevelopment,performancetestingdifficulties,thecentrifugalsuperchargerforthestudyistoanalyzeandsolveturbochargerdesignanddevelopmentforthepurposeoftheintroductionofCATIA3Dmodelingandsimulationstudies,thecentrifugalsuperchargerdevelopmentprocesshasbeenstudiedfromatheoreticalandexperimentalaspects.Themaintasks:

1,tounderstandthehistoryandprospectsofdevelopmentofthemechanicalsuperchargersuperchargerkindofunderstandthebackgroundofsimulationtechnology,thepracticalsignificanceinthedevelopmentofthedomesticsituation,simulationtechnology;

2,themaincomponentsofthecentrifugalsuperchargerselectionanddesignparameters;

3,brieflyCATIAsoftwareapplicationsinengineeringdesign,theuseofCATIAsoftwaretobuildacentrifugalsuperchargerthree-dimensionalsolidmodel,anditsassembly,completethedesigndrawings;

CATIAsoftwareenvironmentformotionsimulation,drawnthecentrifugalsuperchargerworkperformancecurve.

Keywords：

ThecentrifugalsuperchargerSimulation

目录

摘要I

AbstractII

目录IV

第一章绪论1

1.1电动汽车用电机的种类1

1.1.1无刷有齿轮减速用电机1

1.1.2无刷直流电动机1

1.1.3轮毂式有齿轮传动有刷直流电动机1

1.1.4轮毂式无齿轮传动有刷直流电动机2

1.2电动汽车用电机的特点2

1.2.1无刷直流电动机2

1.2.2异步电动机3

1.2.3永磁同步电动机3

1.2.4开关磁阻电动机4

1.3电动汽车用电机的发展和现状4

1.3.1发展经历4

1.3.2电动汽车的发展趋势5

1.4本章小结5

第二章异步电动机变频调速理论6

2.1异步电动机变频调速系统的发展6

2.1.1大容量交流调速系统6

2.1.2中小容量变频装置6

2.2异步电动机变频调速系统理论7

2.2.1电机控制方法7

2.3本章小结8

第三章PWM调制算法基本思想10

3.1PWM整流器10

3.1.1电压型PWM整流器的电流控制策略研究10

3.1.2主电路拓扑结构研究10

3.1.3PWM整流器系统控制策略的研究11

3.2PWM变频调速系统的基本结构11

3.2.1变频调速技术12

3.2.2三维空间矢量调制14

3.2.3三维空间矢量调制算法的实现16

3.3本章小结17

第四章三相异步电动机变压调速simulink仿真模型建立18

4.1三相异步电机M-T坐标系下的数学模型18

4.1.1三相笼式异步电机模型的坐标变换19

4.1.2三相异步电机在SIMULINK下的仿真模型20

4.2仿真结果分析21

4.3本章小结25

参考文献26

致谢27

第一章绪论

1.1电动汽车用电机的种类

1.1.1无刷有齿轮减速用电机

和有刷盘形电枢有齿轮传动电机结构基本相同，它也有一个灵巧的盘形电枢，甚至磁钢排列也是一致的，本质区别是它没有换向器，有霍耳位置检测装置。

它们更大的区别在控制器，有功率换向电路为电枢的每个相提供电流，有霍耳信号译码和编码，以根据检测到磁钢n极位置，确定供电相位或方向。

简朴地讲，它具有有刷有齿轮传动电机的构造，却又有无刷电机的原理。

1.1.2无刷直流电动机

把无齿轮传动的有刷直流电动机定、转子内外对调，将绕组改成三个相做定子，磁钢装在电机外壳内，取消电刷和换向器，在电枢绕组中间安装三个霍耳传感器，这就成为一台无刷直流电动机。

它的形状与图相同。

电枢内定子如图所示，从图中可以看到绕组嵌入定子铁心后的外形，三相绕组引线经压板固定后，从轴的一端空心引出，从轴的两端部各铣出对应的两个平面，可以装入车的前口内，上紧螺母，在运行时产生反力矩。

对有传感器的电枢，3个霍耳传感器按120°均匀安装在绕组有引线一端贴近外转子磁钢的地方。

每个传感器有3根引线，其中电源线和地线是共用的，合并后变成5根总引线，与绕组引线从轴孔中引。

无刷直流电机的外转子由7~20对或更多的n、s极互相交替的钕铁硼磁钢强度的磁场强度高，相对价格也较低。

钕铁硼磁钢的居里点低，但外壳的散热条件好。

  相反，内磁转子或内磁定子则采用居里温度较高的磁钢如钐钴合金或其他磁场强度满意要求的磁钢，要求居里温度不低于400摄氏度。

1.1.3轮毂式有齿轮传动有刷直流电动机  

该电机一半是盘形电枢有刷电机，另一半是齿轮减速兼传动系统。

盘形电枢是高速转动的转子。

电机的转矩是通过轴传递给第一级齿轮，经齿轮减速带动轮毂外动。

 轮毂式有齿轮传动有刷直流电动机构造图，磁钢排列的方法，电机剖面图 

有刷有齿轮毂电机的盘形电枢，是薄片形，体积很小，重量特轻，安装方便。

绕组编制好之后，用树脂加玻璃纤维放进模内热成型，之后在5000r/min的转速下高速旋转，试验2分钟，偏转、跳动和电枢的强度指标应当合格。

电机在运行中由于电刷和换向器摩擦，又有齿轮啮合减速，所以有刷电机的声音比无刷电机声音大。

1.1.4轮毂式无齿轮传动有刷直流电动机

为了适应轮毂结构，简化电机，将有刷电动机设计成电枢放在外边做转子，磁钢放在电机之内做定子，多块磁钢配多个绕组，组成转速为180r/min左右的低速电机。

这种电机外转子中尚未经过压力整形的电枢绕组，在绕组以内是平面环状整洁排列的换向片。

氏伺在外转子上的间隔排列着10块磁钢的定子，在中间的毂板上开有两个孔，电刷的刷握就设在孔的背侧，电刷带着导线被弹簧从刷握中弹出。

定子的轴端套有一个螺母，防止在加工中损伤轴的螺纹，把电刷整理好装入刷握中，将这一端送孔中，电刷就可以接触在换向器的孔中，电刷就可以接触在换向器平面上，借助弹簧的弹力，对换向器压紧，而磁钢正好进入外转子绕组中，只留一个很小的环形气隙。

这个环形气隙的直径越大，电机产生的转矩也越大。

1.2电动汽车用电机的特点

1.2.1无刷直流电动机

电池储存电能，电能是以直流电的方式从电池输出经过转换器传至电动机。

直流电动机按有刷直流电动机和无刷直流电动机区分，有刷直流电动机因维护不方便被无刷直流电动机取代，无刷直流电动机已成为入门级电动车所使用的最为普遍的一种类型。

直流电动机的转速范围不算宽泛，而且最高转速仅为6000rpm左右，这样的转速属性很难满足电动车的工况需求，所以，有些厂商通过为其匹配二级减速器或具备一定传动齿比范围的CVT变速箱来弥补直流电动机在转速方面的短处。

显然，这样的技术结构在空间布置以及重量控制方面对整车的设计都有不利的影响。

当然，也可以只为电动机匹配一个单级减速器，但车辆的动力性能以及最高车速都会受到影响。

1.2.2异步电动机

异步电动机也可被归纳到交流电动机范畴。

变频调速是电动机首先要具备的功能，因为，纯电动车的车轮由电动机组成的传动机构进行驱动，电动机本身的转速范围即可满足车辆的行驶需要，因此，从技术结构来看，变速箱不再是整个动力系统的必要装置，但是，在变频调速的性能方面，还是对电动机提出了较高的要求，另外，倒车也是日常驾驶时经常遇到的问题，所以，还需要电动机能够自如的在正反转状态间切换。

异步电动机具备变频调速的能力，其效果相当于我们所理解的装配有无级变速箱的车辆在加速时发动机转速与车速较为线性的对应关系。

而上面提到的倒车问题，异步电动机也可轻易通过自身正反转的切换给予满足。

1.2.3永磁同步电动机

事实上，永磁同步电动机的结构与上面提到的直流电动机相似，这样便可具备无刷直流电动机结构简单、运行可靠、功率密度大、调速性能好等特点。

与此同时，由于永磁同步电动机采用的驱动方式不同于直流电动机，所以，在噪音以及控制精度环节，永磁同步电动机更胜一筹。

永磁同步电动机的使用对于电动车的乘坐舒适性也有帮助。

通常情况下，我们把乘员舱的静音性当做衡量一款汽车舒适性的因素之一，对于一般用户而言，这样的衡量标准电动车同样适用。

目前的电动车大多只提供一级减速器，所以，电动机的转速较高，受电动机驱动方式、装配精度以及各个部件间的匹配等因素影响，车辆行驶时电动机发出的噪音有可能影响到车内乘员的乘坐舒适性。

当然，我们并不能否然整车隔音工程的作用，但仅评价对噪音源的控制，永磁同步电动机还是有一定优势，另外，它的体积也更小，换言之，布置更为灵活，更轻的自重对整车重量也有所贡献。

宝马i3所使用的正是永磁同步电动机。

从技术优势来看，永磁同步电动机应该成为高端电动车必用的一个类型，但事情也没有这么绝对，特斯拉MODELS使用的则是上面介绍的异步电动机类型，尽管在重量和体积方面，异步电动机并不占优势，但其转速范围广泛以及高达20000rpm左右的峰值转速即使不匹配二级差速器也能够满足该级别车型高速巡航的转速需求，至于重量对续航里程的影响，高能量密度的18650电池能够“掩盖”电机重量的劣势。

此外，异步电机稳定性优秀也是特斯拉选择其的重要原因。

1.2.4开关磁阻电动机

开关磁阻电动机是一个很具发展潜力的电动机，在同样具备结构简单、坚固耐用、工作可靠、效率高等优势外，它的调速系统可控参数多和经济指标比上述电动机都要好。

功率密度也更高，这意味着电动机在重量更轻且功率大，当电流达到额定电流的15%时即可实现100%的起动转矩。

另外，更小的体积也使得电动车的整车设计更为灵活，可以将更大的空间贡献给车内，更为重要的是，这种电动机的成本也不高。

1.3电动汽车用电机的发展和现状

电动汽车电机是指以车载电源为动力，电动汽车电机用电机驱动车轮行驶，电动汽车电机符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。

由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。

电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动汽车电机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。

目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。

1.3.1发展经历：

永磁无刷直流电机通过改变永磁直流电机的定子和转子的位置，就可以得到永磁无刷直流电机。

需注意到是“直流”这个术语会引起误解，因为它并不是指直流电机，实际上它采用交流方波供电，所以也称为永磁无刷方波电机。

它最大的优点是无刷，消除了电刷带来的许多问题。

而且方波电流方波磁场相互作用可以产生更大的转矩。

永磁无刷同步电机用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组，就能去掉传统的电刷、滑环和励磁绕组的铜损，由于采用正弦交流电及无刷结构，又叫永磁无刷交流电机。

其优点是高能量密度和高效率，其恒功率区域有更宽的转速范围，并可以以矢量控制方法来满足电动汽车的高性能要求。

异步电机驱动系统：

异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、低转矩脉动、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高。

异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品，但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。

电动汽车电机最大缺点是驱动电路复杂，成本高；相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。

1.3.2电动汽车的发展趋势：

虽然各种各样的驱动用电动机早已研究得很成熟,但它们并不能直接适用于电动车,因为电动车有其特有的运行特点,所以所用的电动机必须满足这些特点才能获得高性能。

电动车最显著的特点是频繁的起停、加减速，而不是运行于某一恒速下。

近期电动车主要用于在污染比较严重的大中城市市区固定路线行驶和某些特殊场合,如机场、车站、码头、仓库、遂道和旅游区域等地方。

人们对电动车的1次充电行驶距离和最高时速有一定要求,但要求不是很高。

一般1次充电行驶50～100km,最高时速在100kmh以内就可满足要求。

从长远看,电动车要取代燃油汽车,它的性能必须可与燃油汽车相比,所以它的1次充电行驶距离和最高时速都要大大提高。

另外,可靠性和价格也是人们比较关注的问题。

1.4本章小结

本章主要概括了电动汽车用电机的种类，有无刷有齿轮减速用电机无刷直流电动机轮毂式无齿轮传动有刷直流电动机。

以及电动汽车用电机的特点，和电动汽车的发展趋势和现状，电动汽车用电机研究水平逐渐成熟，同时也能在不断提高其性能。

第二章异步电动机变频调速理论

随着交流传动系统的飞速发展,交流调速系统正以良好的动态、静态性能广泛应用于业生产的各个领域，打破了过去传动领域内直流调速系统所占的统治地位。

二十二世纪将是交流调速占统治的时代。

七十年代初，矢量控制技术提出以后，交流电机控制系统的性能不断得到改善。

目前，PWM供电的交流电机调速系统在中小功率电气传动领域中得到广泛的应用。

2.1异步电动机变频调速系统的发展

由于控制理论上的突破和电力电子技术的迅猛发展，变频调速装置和交流调速的发展十分迅速。

2.1.1大容量交流调速系统

齿1980年8月东芝公司为日本大同特殊钢公司星崎钢厂二重式可轧机提供的晶闸管交一交变频器供电的笼型异步电动机传动系统投产，额定功率180OkW，在世先采用矢量变换控制原理实现了大容量交流电动机传动，揭开了大容量、高性能交流传动系统工业应用的序幕。

15年来,大容量交流传动系统的容量不断扩大,性能不断提高,其发展方向是多品种、数字化控制、提高性能指标和扩大单机容量。

在控制技术方面，新的大容量交流传动系统大都采用多微处理机（CPU）全数字化控制。

多CPU及高速数字信号处理器DSP的应用大大提高了计算和处理速度，不但能够快速完成多任务，而且促使诸如状态观厕器、参数估计器、仿真器、非线性解祸等现代控制理论和技术的实用化，大大提高了系统的控制性能。

2.1.2中小容量变频装置

习惯上把60k0w以下的变频调速系统划分为中、小容量范围。

中、小容量变频装置发展的特点是通用化、系列化和规模化生产。

「1本是世界上变频器产量最大的国家，中、小容量变频器在中国的市场也最大。

以富士、三肯公司最早,其后很多公司的产品也先后进入中国市场。

欧美不少厂家的产品也进入了中国市场,如美国AB公司，英国的CT公司，德国的Siemens公司，欧洲的ABB公司、AEG公司等。

中、小容量变频器儿一乎全都采用一极管整流`自关断器件逆变的交一直一交电压型变频控制方式，输出正弦波电流。

一最新的产品全都采用微机全数字-化控制。

通用化是中、小容量变频器最突出的特点，其表现为:

1.输出频率范围宽目前通用变够页器的频日前,中、小容量变频器l王朝着小型化、低噪声、智能化和高性能的方向发展。

IGBT的开关频率可以超过20kHz，可以使变频器输出电流的谐波很小并实现静音。

专用集成电路、现场可编程门列阵以及计算机一电路一体化的智能功率模块器件的应用，使变频器的体积大大减小。

已制成了将控制器、驱动电路、功率变流器集成为一体的微型变频器，如日本富士公司的KST系列和三菱公司的FRZ系列变频器。

美国一家公司最近推出的变频调速电动机己将变频器装入电动机中，成为真正的智能电机。

2.2异步电动机变频调速系统理论

异步电机采用变频调速技术后，调速范围广，调速时因滑差功率不变而附加能量损失，是一种性能优良的高效调速方式，是交流电机调速传动发展的主要方向。

2.2.1电机控制方法

一变频调速控制理论技术的发展主要由标量控制向高动态性能的矢量控制

与直接转矩控制发展和无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制方面发展。

变频调速出现的早期,电机控制技术主要是恒压频比控制,即电压与频率协调控制来实现调速，对动态性能要求不高的场合,此种控制方式可以实现高效率的调速;但是当异步电动机用于乳钢机、数控机床、机器人、载客电梯等高性能调速系统和伺服系统时，系统需要较高的动态性能,仅靠恒压频比控制不能达到要求,因此国内外学者针对这种情况进行了大量的学术研究。

二十世纪八十年代中期，德国鲁尔大学的教授又提出一种称为直接转矩控制的交流电机控制理论。

随后日本的教授等人也提出了类似的控制理论并取得良好的控制效果。

近十多年,各国学者和研究部门致力于无速度传感器控制系统的研究利用检测的定子电压、电流来对速度进行估量计算，减少了速度传感器的使用使整个控制系统更加可靠、经济。

目前已经研制出了无速度传感器直接转矩控制和矢量控制系统的实用产品。

近几年来，智能控制研究比较活跃,并在很多领域得到了推广和应用，典型的如模糊自寻优控制、人工神经网络控制和基于专家系统的控制等。

随着高频化、大容量、绿色化的新型电力电子器件如雨后春般涌现,变频技术也有了快速的飞跃。

二十世纪六十年代中期，由普通晶闹管、小功率晶体管构成的方波形逆变器进入了实用化七十年代后，全控型高频率关器件的发展为PWM（脉宽调制）控制技术做了铺塾,此后PWM逆变器、SPWM逆变器的应用得以推广，然而任何事物都不可能十全十美,SPWM逆变器也一样,随着人们的使用逐渐发觉SPWM控制的逆变器直流馈电利用率低、并产生一些对电机不利的高次谐波,为了克服这些缺点及满足人们的要求,不少学者又研究出SVPWM（空间矢量脉宽调制）控制策略，SVPWM控制的逆变器是通过空间电压矢量的方法来控制构成逆变器的全控器件的导通与关断

电流跟踪型PWM逆变器是电流控制型的电压源逆变器,现在广泛使用的电流跟踪型PWM逆变器主要有三角波比较方式的电流跟踪型PWM逆变器和滞环电流跟踪型PWM逆变器，他们具有电流动态响应快、实现方便。

输出电流包含谐波少等特点。

目前随着器件开关频率的提高，并借助于控

制模式的优化以消除指定谐被，己使PWM逆变器的输出波形比较接近正弦波，但在电网侧,尽管用不可控整流器取代了相控整流器，使基波功率因数提高了，然而还存在较大的电流谐波分量,总的功率因数没有得到提高，所以消除对电网的谐波污染和实现单位功率因数是变频技术不可回避的问题。

对于大功率PWM逆变器来说,其工作频率的提高会受开关损耗的限制，因为这类逆变器的工作频率主要取决于开关损耗，并且开关的过程伴随电磁干扰。

对此人们开始研究软开关技术，将其应用到逆变器中，像谐振型逆变器，它运用谐振技术使功率器件正好在零电压或零电流下导通或关断，这样使得开关损耗几乎变为零，工作频率得到很大提高,是一种很有发展潜力的变频器。

随着变频器的广泛应用其可靠性也是大家关注的重点，如在航空航天、军事船舶等领域，当逆变器驱动的系统出现故障后,希望能自动排除故障而继续运行。

要想达到这一目的，必须对逆变器供电的驱动系统的设计提出更高的要求。

目前人们根据变频器故障检测与诊断方法的分析正致力于研究具有容错设计的变频器，将容错技术应用到变频器内部的功率器件中，对提高系统可靠性、工业生产和航空航天事业具有重要意义。

2.3本章小结

目前变频调速已经成为异步电机最重要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用，随着一些新技术新理论在异步电机变频调速中的应用，如矢量控制、直接转矩控制、无速度传感器技术等，它将向更高性能、更大容量智能化等方向发展。

第三章PWM调制算法基本思想

3.1PWM整流器

在20世纪80年代,人们开始研究PWM整流器。

1982年BusseAlfred