电动汽车用永磁同步电机控制系统设计.doc

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硕士学位论文

电动汽车用永磁同步电机控制系统设计

Designofpermanentmagnetsynchronousmotorcontrolsystemforelectricvehicle

作者姓名

指导教师

学科专业

控制工程

二0一五年六月

1

摘要

本文在开始先介绍了研究电动汽车的背景及其意义，并介绍了电动汽车在国内外的发展现状，然后从电动汽车的燃油经济性，驱动性，安全性及舒适度，三个方面分析了电动汽车比其他燃料汽车存在的优越性。

电动机是电动汽车的核心部件，本文中从其驱动方式把电动机分为四大类，直流有刷电动机，永磁同步电动机，永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机。

本章从工作原理与性能方面分析了，这四种电动机各存在的优点和不足。

从中得出永磁同步电动机是电动汽车比较理想的选择。

本文刚开始介绍了永磁同步电动机PMSM的三种不同的控制方式，恒压频比控制，矢量控制，直接转矩控制，并从三者之间比较得出，PMSM采用直接转矩控制DTC的方式有着比其他两者更好的稳定性。

随后从永磁同步电动机PMSM的结构及其特点，分析了其优越性，并建立数学模型，根据空间矢量坐标关系推导出PMSM的在各坐标系下DTC的原理。

本章分析了定子磁链与电磁转矩的估算和滞环控制，通过其原理研究了开关表控制的方式，并对PMSM的直接转矩控制DTC的Matlab/Simulink仿真，最终得出了DTC较其它控制方式的稳定性。

其次分析了永磁同步电机PMSM的直接转矩控制DTC存在的诸多缺点，并提出基于SVM技术的SVPWM的控制方式，即空间矢量调制DTC控制策略，通过Matlab/Simulink仿真，得出SVPWM比PMSMDTC有着更好的稳定性。

TI公司推出的TMS320F2812DSP芯片的控制系统设计，从硬件电路的设计和软件的设计，两个方面研究了该芯片。

DSP硬件方面包含了智能模块的自保护特性，并设计了检测电路，保护电路，驱动电路和CAN通信等模块，软件系统方面分析了，其初始化流程图，接收流程图等。

关键词：

永磁同步电机；直接转矩控制；DSP；SVPWM

Abstract

Inthispaper,wefirstintroducethebackgroundandsignificanceoftheresearchofelectricvehicles,andintroducesitspresentsituationofdevelopmentathomeandabroad,andfromthefueleconomyanddriving,safetyandcomfort,threeaspectsanalysistheadvantagesofelectricvehiclesthanotherfuelvehiclesexist.Asthemotorofthecorecomponentsofelectricvehicles,fromthedrivemotorisdividedintofourcategories,DCbrushlessmotor,permanentmagnetsynchronousmotor,permanentmagnetbrushlessDCmotorandswitchedreluctancemotor.Thischapteranalyzestheadvantagesanddisadvantagesofthesefourmotorintheaspectsoftheworkingprincipleandperformance..ItisconcludedthatthepermanentmagnetsynchronousmotorPMSMasthecorecomponentofelectricvehicle,istheidealchoiceofthemotorvehicle..Inthischapter,threedifferentcontrolmodes,constantfrequencyratiocontrol,vectorcontrolanddirecttorquecontrolofPMSMareintroduced..Andthecomparisonbetweenthethree,thedirecttorquecontrolDTChasbetterthantheothertwo.

Then,thestructureandcharacteristicsofPMSMareanalyzed,andtheadvantagesofPMSMPMSMareanalyzed,anditsmathematicalmodelisestablished..Accordingtothespacevectorcoordinate,themathematicalmodelofPMSMisdeducedandtheprincipleofDTCisanalyzed..Inthischapter,thestatorfluxlinkageandthemagnetictorqueestimationandthehysteresiscontrolareanalyzed,andtheresearchmethodsoftheswitchingtablecontrolarestudiedbytheprinciple..TheMatlab/SimulinksimulationofthedirecttorquecontrolDTCofPMSMisdemonstrated,andtheadvantagesoftheDTCcontrolmodestabilityareproved..

Secondly,thedisadvantagesofthePMSMdirecttorquecontrolDTC,thefluxlinkage,thelargetorqueripple,andthepoorperformanceofthecontrolsystemareanalyzed..ThecontrolmodeofSVPWMbasedonSVMtechnologyisproposed,thatis,therealizationofthespacevectormodulationDTCcontrolstrategy..ThroughthesimulationofMatlab/Simulink,SVPWMhasbetterstabilitythanPMSM-DTC.

Atlast,thedesignofthecontrolsystemofDSPTIchipisintroduced,andthedesignofthehardwarecircuitandthedesignofthesoftwarepartarestudied.Thechipisdescribedintwoaspects..DSPhardwareincludestheself-protectionofthesmartmodule,andthedetectioncircuit,protectioncircuit,drivercircuitandCANcommunicationmodule.Thesoftwaresystemanalysis,anditsinitializationflowchart,receivingflowchartandsoonmanyparts.

KeyWords：

permanentmagnetsynchronousmotor;directtorquecontrol；DSP；SVPWM

II

目录

摘要 I

1.绪论 1

1.1论文的研究背景和意义 1

1.2电动汽车国内外发展现状 2

1.2.1电动汽车国外发展状况 2

1.2.2电动汽车国内发展现状 3

1.3电动汽车优越性 5

1.3.1提高燃油经济性 5

1.3.2提高驱动性 5

1.3.3提高安全性和舒适度 5

1.4驱动电动机的工作原理与性能比较 6

1.4.1直流有刷电动机 6

1.4.2永磁同步电动机 6

1.4.3永磁无刷直流电动机 7

1.4.4开关磁阻电动机 7

1.5永磁同步电动机的多种控制策略 8

1.5.1恒压频比控制 8

1.5.2矢量控制 8

1.5.3直接转矩控制 8

1.6本论文的的主要工作及安排 9

1.6.1主要研究工作 9

1.6.2论文安排 9

2.电动汽车PMSM系统研究 9

2.1永磁同步电机 9

2.1.1永磁同步电动机的结构和特点 10

2.1.2永磁同步电动机的数学模型 11

2.2直接转矩控制实现 14

2.2.1定子磁链的估算和滞环控制 15

2.2.2电磁转矩的估算与滞环控制 16

2.2.3开关表的研究 17

2.3直接转矩控制MATLAB仿真 18

3.SVPWM研究 25

3.1引言 25

3.2SVM技术用于永磁同步电机的直接转矩控制 25

3.2.2SVPWM技术研究 26

3.2.3电压幅值研究 29

3.2.4电压矢量的分区 31

3.3SVPWM的MATLAB仿真 32

4.TMS320F2812DSP控制系统的设计 35

4.1控制系统整体设计 35

4.2硬件电路设计 36

4.2.1DSP最小系统设计 36

4.2.2智能功率模块的自保护特性 39

4.2.3检测设计电路 41

4.3软件系统设计 45

5.工作总结与展望 50

5.1总结 50

5.2展望 50

参考文献 51

辽宁工程技术大学硕士学位论文

1.绪论

本章节开始论述了电动汽车的研究背景，意义及其发展的现状，并对传统汽车与电动汽车的燃油经济性，驱动性，安全性及舒适度进行对比，证明了电动汽车的优先性，另外把多种驱动电动机在工作原理和性能进行比较，得出永磁同步电动机更适合电动汽车，并分析了永磁同步电动机的三种控制策略，证明永磁同步电动机，直接转矩控制是最比较好的选择。

1.1论文的研究背景和意义[1]

人类活动对我们周围的环境造成了一定的影响，这样就出现了环境问题，环境问题对我们的生产和生活也有影响，目前人类知道的环境污染有主要有多种：

全球变暖，酸雨，淡水资源危机，土地荒漠化，物种加速灭绝，有毒化学品汽油和柴油。

汽车用燃料燃烧后，产生的尾气中，成分非常复杂，达有100种以上，尾气危害着人类生存健康，对人类生活的环境产生深远的影响。

正是由于能源与环境存在的很多问题，才使人类认识到，电动汽车应该代替传统的燃料汽车，这样就会对环境的改善做出贡献。

电动汽车主要是运用电能驱动，而电能是清洁能源，不会对大自然带来，诸如温室效应，环境污染等问题，而且电能的利用率比传统的汽车高很多。

现在很多能源都可以转换成电能，如水能，风能，潮汐能，等等，如若在晚上，给电动汽车进行充电，就可以充分的利用电能。

下图给出了汽油机车辆，柴油机车辆及电动汽车所排放的有毒有害气体的比较。

如图1.1

图1.1各种车辆全部有害排放物的比较

由上图1.1可见，传统的汽油，柴油汽车所排放的污染物，如CO等有害物很多，如果不经过处理，就这样随便排放到我们的环境中，势必会对我们的周围环境带来很大的危害，如果这些有害物质被人类吸入的话，就会对人类的生存也会带来危险，而且电动汽车还有一个很大的优势，就是不会产生太大的噪声。

燃油车的发动机由复杂的机械传动装置组成，在发动机启动，运行，加速的环节，会造成很大的噪声污染，而电动汽车就可以极大的避免了大噪声的发生。

1.2电动汽车国内外发展现状

现代的电动汽车发展了100多年，已经不是以前单一的技术，现代的电动汽车是以电池为主要动力源，驱动来源主要是电，在进入20世纪以来，人类在电力电子，自动控制等方面的技术，已经得到了很大的发展，现代的电动汽车包含了各种各样的工程技术于一身。

现在的电动汽车主要可以分为以下几大类型：

纯电动汽车，燃料电动汽车，混合动力电动汽车。

1.2.1电动汽车国外发展状况

在日本，美国，欧洲等许多发达国家，人类对环境的破坏越来越严重，所以国家政府对燃料汽车的排放要求也越来越苛刻，因此各国政府对相关的汽车厂家也投入了很多的人力，物力，财力，来促使汽车生产厂家开始对电动汽车的研发投入了很多技术，并且对电动汽车的使用者采取鼓励政策。

这样从国家，厂家，买家三方面采取相关的措施，促使电动汽车进一步的发展。

（1）日本。

三菱汽车公司于2009年量产型电动汽车的生产，其使用锂离子电池属全世界首次的。

轻型汽车“i”的车体内搭载有永磁同步电动机及质量为200kg的蓄电池组，一次充电不使用空调的情况下可以行使120km，使用空调的话可以行使100km。

开始初期主要卖给公司等法人单位，2010年4月开始向个人预定销售，如果可能的话，这将是一般驾驶员可以购入的初次的真正的电动汽车。

日本汽车公司已经在2010年后半年将其新研发的电动汽车LEAF投入市场。

LEAF使用了薄板型紧合锂离子及输出了功率为80kw的电动机。

有关电动汽车的特性还没有完全统一的标准，所以比较很难，但是可以认为和三菱的i-MiEV相比，能量装置和功率装置的性能应该在其2~3倍。

因此，日产说“可以达到和过去的汽油车同等的快速反应和驾驶舒适性”。

其发表的行使距离为充满电情况下160km。

可以说制造商在加快充电速度方面也下了很大功夫，今后如果在各地配置像汽油加油站那样的快速充电器的话，在30min内就可以将电池由0充到80%。

新型汽车级公司三菱i-MiEV的车辆本体价格很低，即使在有国家和地区自治体的补助金，实质上也还得200万日元一台，和汽油车的“i”相比大约是其两倍以上。

（2）美国。

美国在很早以前就开始对电动汽车的资助，并与1976年，立法，补贴的手段刺激本国对电动汽车的发展。

早在1900年美国加州已经颁布了防止大气污染的限制性法令，其要求在随后的几年里，加州不断的提高新电动车的销售量所占的比重。

正是由于美国法规的推行，促使电动汽车慢慢的生产和应用，此后，美国还陆陆续推出了很多鼓励性的政策，来促进厂家生产电动汽车从而加速了美国电动汽车的产业的进程，并且多家公司签订协议，一起联合研究新型电动汽车电池。

从而使钠硫电池代替了原始的铅酸电池。

（3）欧洲。

欧洲对环境污染看的很重，也对节能减排很重视，因此欧洲各国颁布了相关法令，来推动电动汽车的研发，生产和销售的进程。

德国政府早在1994年就开始给电动汽车厂家投入补助1.5亿马克，随后进一步UI新一代电动汽车试验实行补助，低息贷款及减税等优惠的政策，早在20世纪80年代，就已经开始了生产大型电动客车。

德国政府目标2020年成为全球第一大电动汽车生产厂家。

法国政府在很早就在政策上支持和鼓励开发电动汽车技，并为电动汽车的生产提供很大的资助，政府和多家电动汽车企业签署协议，共同研发，生产电动汽车，早在1990年标志与雪铁龙公司就投入两款电动汽车进行生产，并在20多个城市率先使用电动汽车，而且政府让政府单位先使用电动汽车，还有可以免第一年的税，给生产厂家进行一定的补助等多个好的政策。

因此，法国在全世界电动汽车的使用率排在前列。

英国电动汽车的生产技术和电动汽车的使用量最为广泛，其历史已经可以追溯到到50多年以前，英国著名的汽车设计公司早在1979年就开始研发电动汽车，英国政府颁布了很多惠明政策，如免收各种税款，夜间充电电费减半等。

其他国家和地区对已经对电动汽车的技术展开研发和生产。

1.2.2电动汽车国内发展现状

国内电动汽车的研究起始也比较早，但是规模比较小，投入也比较少，自20世纪80年代开始，我国政府比较重视电动汽车的发展，于是把电动汽车的研发列入国家发展计划，于是国内各高校和汽车生产厂家陆续开始研究电动汽车，如清华大学，华南理工大学，东风汽车公司，都开始研究工作，但与国外电动汽车还有很大差距。

幸福使者电动汽车就是天津清源电动车辆公司生产的，其运用了纯电动汽车技术。

它搭载优质电动机并装配经优化匹配设计的进口电动机控制器，动力强劲，采用国内顶级优质铅酸蓄电池，其符合环保，节能的理想效果理念。

我国首款批量生产的电动汽车是被誉为国内纯电动“第一车”的众泰2008EV纯电动乘用车，其在最大功率，最高时速，续航里程都有了很大提升。

国内第二款新能源汽车是奇瑞公司推出的纯电动汽车S18，其搭载了驱动系统，磷酸铁锂电池都对电动汽车的性能有所提升。

S18充电电压为民用220V电压，充电4~6小时，可以充满80%的电量。

“超越一号”是我国的第一辆燃料电池轿车，其生产并验收于2003年，连续行驶210km，最高时速为110km/h，这一燃料汽车的推出，大大缩短了同世界先进国家的差距。

在混合动力轿车领域，我国的第一汽车集团公司生产的奔腾轿车是“863”计划资助的新一代车型，其具有节能和环保的性能。

F3DM，F6DM是比亚迪公司于2009年初推出的双模电动轿车，在日内瓦和底特律车展上一亮相，就引起国内外媒体的关注，而且在关键动力电池技术上，领先于美国通用和日本丰田等品牌汽车。

在铁动力电池领域，获得了很多国内外专利。

近几年，我国开始重视电动汽车的研究和开发工作，在2001年，科技部把电动汽车重大专项论证会列为我国“十五”“863”计划，此计划标志着电动汽车开发专项正式启动，对我国汽车产业有很大意义，并计划于2011年，生产20万辆纯电动车，混合动力汽车等新能源汽车。

随着国家对电动汽车行业的逐步重视，各大汽车生产厂家也加大对电动汽车研发和生产的投入，慢慢形成了一大产业，我国政府的政策也开始对电动汽车倾斜，各大厂商展开合作，共同研究电动汽车这一大新兴产业。

与此同时，电动汽车中的很多重要的组成部分，如电池，电机等也加大了投入和研究。

我国经过这些年的不懈努力，我国电动汽车行业也有了很大提升。

1.3电动汽车优越性

电动汽车用电驱动，传统的燃油汽车使用的是汽油或柴油，从转换率来讲，用电驱动有着更高的变换效率，并且电动汽车还有很多的优点，例如，燃油经济性，驱动性，安全性和舒适度。

另外由于环境污染越来越严重，成为了不容忽视的问题，因此电动汽车在未来有很多的发展空间，在很大程度上，可能代替燃油汽车的发展空间。

1.3.1提高燃油经济性

汽车在运行的时候，轮胎有一个向前的速度，在转弯的时候，也有一个转弯的旋转力，而这相当于空转，因此，现在只传递了60%的动力，40%在滑转，我们汽车的转速，就有一部分损耗在了汽车的转弯的部分，这和实际的车速还是有很大的区别的。

据此，发现两者之间有很大的差别。

而这个差值就会让我们浪费很多的能量，轮胎摩擦生热，并且会在一定程度上，对轮胎有磨损[3]，解决这个问题的办法是运动控制，检测驱动和车轮速度，当滑转的时候，就降低转矩，这样无效运动就会降低，可以将损失降低很多。

使用运动控制效果确实可以显示。

另外，电动汽车是利用电来驱动的设备，而传统的燃油汽车，使用的是化学能，燃烧推动发动机运转，这样它的转化率很低，电直接驱动电动汽机效率很高。

1.3.2提高驱动性

由于传统汽车的发动机体积大，其小型化有一定难度，还需要设置冷却和排气系统，而电动汽车的发动机是电动机，体积很小，这样电动汽车就可以安装多个电动机，他们直接只需几根电线来连接。

这样就可以在每个车辆安装一台电动机，使电动汽车四轮独立驱动成为可能，在进入弯道时，电动汽车不同的发动机就可以用输出不同的转矩来实现，这样就就提升了其驱动能力。

1.3.3提高安全性和舒适度

电动汽车使用的电动机精确控制车轮产生的转矩只需检测电动机的电流值，而传统的燃料汽车，则非常困难，如果能够控制发动机发生的转矩，就可以估算出车辆的运行路面状态，并提出警示，根据路面状况的最优控制也可能的，这样就会进一步设计更安全，更舒适的汽车，而传统的燃料汽车则不能实现这样的功能。

通过燃料的比较可以看出电动汽车的燃料费比汽油车还便宜。

表1.1燃料费的比较

种类

条件

每千米的燃料费

电动汽车

夜间电费

1~2日元

通常电费

3~10日元

汽油车

1L燃料行驶距离为5km

24日元

1L燃料行驶距离为10km

12日元

1L燃料行驶距离为15km

8日元

1L燃料行驶距离为20km

6日元

1.4驱动电动机的工作原理及性能比较

电动汽车的驱动系统是电动汽车最关键的子系统，担负着将电能转变为机械能，并通过传动装置（或直接）将能量传递到车轮进而驱动车辆按照驾驶员意志行驶的重任。

电动机是驱动系统的心脏。

电动机的选择是否合适决定着驱动系统的性能的好坏，电动汽车设计的基础是电动机的选择。

根据驱动系统对电动机的要求，可以把驱动电动机分为：

直流有刷电动机，永磁同步电动机，永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机。

在最早的时候，电动汽车选择的电动机一般都采用直流电动机，因为它结构简单，成本低，但随着人类科学技术的发展，比直流电动机更优越的电动机出现，如就交流电动机，永磁同步电动机，开关磁阻电动机等，很有可能代替直流电动机。

1.4.1直流有刷电动机

早期电动汽车有蓄电池供电，采用的是直流有刷电动机，其主要优点是控制简单，技术成熟，具有优良的控制特性，即使到现在仍有一些电动汽车使用直流电动机来驱动。

虽然直流有刷电动机有着上面所述的优点，但是由于其电刷及换向器，对电机的速度和负载能力有一定的影响，特别是长时间运行，直流电动机的电刷和换向器不得不进行维护，特别由于转子的损耗，是直流电机很难散热，对电机转矩的提高有一定的影响，并且电机的维护麻烦，转换效率低，由于直流电机的电刷和换向器容易产生火花，会生成电磁干扰，限制电机的转速及电压，因为上述直流有刷电动机的缺点，最新研制的电动汽车已很少使用直流有刷电动机了。

1.4.2永磁同步电动机

永磁同步电动机（PermanetMagnetSynchronousMotor，简称PMSM）与感应电动机不同，永磁同步电动机不需要无功励磁电流，可以明显的提高功率因素，并减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有过多的因运行时电阻损耗，进而降低了由于电流产生的损耗，降低了温度的产生，可以降低风扇的安装或彻底去掉风扇，从而提高了永磁同步电机的效率。

永磁同步电动机要保持比较高运行效率及输出功率因素，只需要