纯电动汽车异步电机毕业设计(编辑修改稿)

纯电动汽车异步电机毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

毕业 论文 7 机数学模型在此基础上，基于 MATLAB/Simulink 仿真平台，建立了电机控制系统的仿真模型； (2) 对 PID 控制和矢量控制方法的 相关理论与方法进行了研究，并基于模糊PID 的矢量控制方法，探讨对整车控制的影响，论证该方法提高整车对测试工况的跟随性、动力性和行驶稳定性，改善整车的动力性、运行效率以及对能源的经济性具有良好的作用 ； (3) 基于系统仿真 MATLAB/Simulink，对纯电动汽车异步电动机的控制系统建立仿真模型，基于增量式 PID 控制算法，探讨该算法对三相异步电机控制的影响，论证该算法对提高三相异步电机励磁绕组所产生的磁链旋转质量，使其速度加快，及时跟随电机对转速的调节需求，有效地提高电机的动态特性，对实现电机的良好控制有 着良好的作用。 综上所示， 本章对国内外电动汽车的发展，驱动控制系统研究现状进行了介绍和概述，并对纯电动汽车的电机驱动系统的工作原理进行了分析。 同时，给出了本论文的主要研究内容与研究的目的和意义。 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业 论文 8 第二章 纯电动汽车驱动电机 模型的建立 驱动电机及其控制技术是纯电动汽车的关键技术之一，纯电动汽车电机驱动系统与其它的电力驱动系统不同，它有其特殊的要求： (1)要求能频繁的启动、停车、加速、减速，以及良好的扭矩控制动态性能； (2)运行速度在一个更广泛的范围，纯电动汽车驱动 系统应该在恒转矩和功率区内工作，在同一时间内也要有更高的效率； (3)在坏的工作环境时，要求工作可靠。 在设计纯电动汽车的电机驱动系统时，考虑纯电动汽车对其驱动系统的特殊要求，从而对于驱动系统来说，选择电机和设计变流器与控制器，都需应对这些特殊要求进行考虑。 目前纯电动汽车按照电机种类划分，常用驱动系统可分为：交流感应电动机系统、永磁同步电机、直流电机和开关磁阻电动机系统四类。 各种控制算法应用于纯电动汽车驱动电机时，为了探讨控制算法对电机控制的影响，需对驱动电机进行相关的讨论，从而首先需选定纯电动汽车的驱动 电机，再确定驱动电机控制的参数，最后建立其仿真的模型。 异步电机的物理模型 异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在研究其数学模型时所做的假设 分别 为： 第一， 忽略空间谐波，认为三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布 ；第二， 忽略磁路饱和影响，认为各绕组的自感和互感都是恒定的 ；第三， 忽略铁芯损耗 ；第四， 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 图 21 为矢量控制中异步电机的物理模型。 其中，定子三相绕组轴线 A, B, C在空间是固定的，以 A 轴为参考坐标轴，转子绕组 a， b， c 随转子旋转， 转子 a轴和定子 A 轴之间的电角度  为空间角位移变量 [1]。 θωaBbCcUbA 图 21 三相异步电机的物理模型 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业 论文 9 对于交流电机三相对称的静止绕组 A， B， C，通过三相平衡的正弦电流 Ai 、Bi 、 Ci 时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势 F，它在空间呈正弦分布，以同步转速 ω顺着 ABC 的相序旋转。 由电机学可知 ，在两相、三相、四相等多相对称绕组中通以多相对称电流时，都能够产生旋转磁动势，其中以两相最为简单，两相静止绕组 α 和 β，它们在空间互差 90 度，通以时间上互差 90 度的两相平衡交流电流 i 、 i ，也可以产生旋转磁动势 F，该磁动势与三相对称的静止绕组 A， B， C 所产生的磁动势的大小和转速都相等时，即认为二者是等效的。 两个匝数相等且互相垂直的绕组 M 与 T，其中分别通以直流电流 mi 和 ti ，产生合成磁动势 F，其位置相对于绕组来说是固定的。 让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势 F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。 如果这个磁动势的大小和转速与三相对称的静止绕组 A， B， C 所产生的磁动势的大小和转速都相等时，也认为二者是等效的。 根据旋转磁场等效的原则，经过三相两相变换和旋转变换等矢量变换，使三相交流电机的三相绕组和直流电机的直流绕组等效，从而能模拟直流电机控制转矩的方法对交流电机的转矩进行控制，这就是矢量变换控制。 按照上述分析 ，以产生同样的旋转磁动势为准则，三相坐标系下的 Ai 、 Bi 、 Ci ，静止两相坐标系下 i 、 i 和旋转两相坐标系下的直流 mi 和 ti 是等效的。 这样，通过坐标变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型 [2]。 qdcicifiaAF 图 22 二极直流电机的物理模型 图 22 所示为二极直流电机的物理模型，它可以等效为交流三相绕组的电机。 图中 F 为励磁绕组， A 为电枢绕组， C 为补偿绕组。 F 和 C 都在定子上，只有 A在转子上。 把 F 的轴线称为直轴或 d 轴，主磁通的方向就在 d 轴上， A 和 C 的轴线则称为交轴或 q 轴。 由于电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在 q 轴位置上，好杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业 论文 10 像一个在 q 轴上静止的绕组，但由于它不切割磁力线且与 d 轴垂直，故而对主磁通影响甚微，所以其主磁通基本上唯一地由励磁电流决定，使直流电动机的数学模型比较简 单，这也是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。 如果能将异步电动机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和控制问题就可以大为简化。 坐标变换正是按照这种思路进行的，而不同电机模型之间彼此等效的原则是，在不同坐标系下所产生的磁动势相同。 异步电机的数学模型 . 转矩方程 由机电能量转 换原理，在线性电感的条件下的多绕组电机中，磁共能和磁场的储能为： 1122TTmiW i i L (21) 电磁转矩等于磁共能的变化率 mmW （电流不变）， 机械角位移m pn，则： mme i c o n s t p i c o n s tmWWTn (22) 根据上述两式可得： 012 0srTeprsLT n i L  (23) 将  8T T Tri i i 和 srL 、 srL 的代入上式并整理得：         1 si n2si n 120 si n 240T sre p s s p m A a B b C cA a B b C c A a B b C cLT n i i n L i i i i i ii i i i i i i i i i i i              (24) 运动方程 电动机的机械运动方程为： eL pJdTT n d t (26) 其中 eT ， LT ， J ， pn 分别为电机的额定输出转矩、负载转矩、转轴上总的转动惯量和极对数。 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业 论文 11 电压方程 定子三相绕组的电压平衡方程为 ： 1 AAA dU i R dt (27) 1 BBB dU i R dt (28) 1 CCC dU i R dt (29) 转子三相绕组折算到定子侧的电压平衡方程为： 2 aaa dU i R dt (210) 2 bbb dU i R dt (211) 2 ccc dU i R dt (212) BU ， CU 分别三相定子电压 ； Ai ， Bi ， Ci 分别为三相定子电流 ； aU ， bU ， cU分别为三相转子电压 ； ai ， bi ， ci 分别为三相转子电流 ； A ， B ， C 分别为三相定子磁链 ； a ， b ， c 分别为三相转子磁链 ； 1R ， 2R 分别为定转子电阻。 把上面两个式子写成矩阵形式，并用 p 代替微分算子得到： 1112220 0 0 0 00 0 0 000000000000000000 0 0 0 0A A AB B BC C Ca a ab b bc c cUiRRUi RRRUiR                                                   (213) 向量表示为 ： u = Ri+p。 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业 论文 12 电动机的磁链方程 各绕组磁链是其自身自感磁链，从而可用矩阵表示六个绕组的磁 链方程 ： A C A a A b A cA A A A B AB B A B B B C B a B b B c BC CA CB CCC Ca Cb Cca aA aB aaC aa ab acb bA bB bbC ba bb bcc c A c B cc C c a c b c cL L L LL L iL L L L L L iL L iL L L LL L iL L L LL L iL L L LL L iL L L L                                  (214) 用向量可表示为： i=L ,其中 是 6 6 的电感矩阵，现对该矩阵的各元素分析如下： （ 1）对角线的各元素 AAL , BBL , CCL , aaL , bbL , ccL 分别为各个绕组自感；与各绕组相交链的磁通对其划分，可分为两类：①只与其中一相绕组交链，但保证不穿过气隙的漏磁通；②穿过气隙的主磁通。 假设两相平行的绕组的互感为 mL ,而设 1L 为绕组的漏感。 因定转子绕组匝数对其进行折算后相等， 即 12mmLL 从而转子三相绕组的自感 12a a b b cc mL L L L L   ； 定子三相绕组的自感11AA BB C C mL L L L L   ； （ 2）非对角线的元素分别为定转子绕组的互感、定子与转子绕组的互感 ，定子 绕组在位置上 角度固定相差 120 ， 由此可得到三相定子绕组间的互感为： 11 1c o s 1 2 0 2A B B C C A B A C B A C m mL L L L L L L L         (215) 同理，可得到三相转子绕组间的互感为： 22 1c o s 1 2 0 2a b b c c a b a c b a c m mL L L L L L L L         (216) 由于定转子各绕组间的夹角  为变量，所以对于定子和转子的绕组间的互感而言，该互感参数将转化为关于角位移  的函数，从而定转子间的互感可表达为： 1 c o sA b b A B c c B Ca a C mL L L L L L L        (217)  1 c o s 1 2 0A a a A B b b B C c c C mL L L L L L L         (218)  1 c o s 2 4 0A c c A B a a B C b b C mL L L L L L L         (219) 杭州电子科技大学 信息工程学院 本科毕业 论文 13 根据以上的讨论，将式（ 212）写成分块矩阵为： s sss srrs rrs riLLLL i  。