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【24嵌入式设计大赛】基于RT-Thead先楫HPM5300EVK的永磁同步电机FOC控制
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发布于 2024-09-14 21:58:31 浏览:201
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**1.1 研究背景及研究意义** 汽车工业越来越往智能化、电动化、共享化的方向发展。早在2005年欧盟便开始实施欧V排放标准,2008年我国也正式开始实施欧III排放标准,严格的油耗和排放法规,使得世界主要汽车厂商开始制造各种更加“清洁”的汽车。电动助力转向系统是一种“按需供电系统”,其只有在转向时才消耗电能,相比于液压助力转向系统减少了燃油消耗和 的排放。“十三五”期间,我国大力发展新能源汽车,根据国务院办公厅于2020年11月印发的《新能源汽车产业发展规划》,预计到2025年,我国新能源汽车的销量将占汽车市场整体销量的20%左右.届时新能源汽车的保有量有望突破2000万。 汽车转向系统是汽车上的一个主要部件,转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性,对于保证车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶人员的人身安全起着重要的作用。 汽车转向系统发展到今天经历了纯机械转向系统(Manual Steering)简称MS、液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering)简称HPS、电动液压助力转向系统(Electric Hydraulic Power Steering)简称EHPS、汽车电动助力转向系统(Electric Power Steering)简称EPS。 控制技术在EPS中的广泛应用使汽车的驾驶性能达到了前所未有的高度。在汽车低速行驶时,EPS减轻了转向力,使转向更加轻便和灵活;在高速行驶转向时,EPS适当地增加转向力,从而提高了操纵的稳定性,增强了路感。不仅如此,装有电动助力转向系统的汽车比使用液压助力转向系统的汽车更加节省能源。研究表明,EPS的能耗不到HPS的1/3,并且相较于后者,使整车油耗下降了3%—5%。总而言之,电动助力转向系统已成为汽车传统转向系统的理想升级换代产品。 **1.2 EPS采用的助力电机类型** 作为EPS系统的执行机构,助力电机的性能会直接影响EPS系统力矩跟踪性能、转向盘力矩脉动水平、助力转矩的大小、系统噪声及可靠性。相较于其他工业用电动机,EPS助力电机应满足以下要求: (1)车载电源一般为12V直流电,因此要求助力电机的额定电压应与供电电压相匹配,同时在此低电压下要具有较宽的调速范围和充足的转矩输出能力。 (2)转动惯量小,输出力矩脉动小,低速或极低速工况下仍能平稳运行。 (3)额定转速适中(一般为1000~1500r/min)。在相同的额定功率下,额定转速越高,其输出的力矩越小,这就要求减速机构具有较大的减速比,但较大的减速比会放大电机转动惯量,恶化系统动态性能,且会造成减速机构体积的增加,难以布置;额定转速越低,输出的转矩越大,但较低的调速范围无法适应快速转向工况。 (4)在堵转甚至反转工况下仍能提供所需的助力转矩。 (5)助力电机的体积应尽可能的小,以减小转子的惯性力矩且便于安装布置。 目前较为常用EPS助力电机包括有刷直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机和感应电机等。 有刷直流电机(DC brush motor,DCBM)因其良好的起动性能和调速性能,在早期的EPS系统中得到了广泛应用。此外,与交流电机不同,有刷直流助力电机可由车载直流电源(如蓄电池或发电机)直接驱动,无需将直流电源逆变为交流电,这也是EPS系统采用有刷直流电机的一个重要因素。然而,有刷直流电机由于采用机械换向,电刷和换向器之间始终存在滑动摩擦,这会造成电刷的长期磨损,从而严重影响电机的使用寿命和可靠性。此外在机械换向过程中,电刷和换向器之间容易产生火花,从而会对其他车载电子设备形成严重的电磁干扰。鉴于有刷直流电机采用机械换向装置导致的上述缺点,EPS助力电机逐渐由有刷电机过渡到无刷电机和交流电机。 无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor,BLDC)与有刷直流电机的结构相反,其电枢绕组安装在定子上,而永磁体在转子上。它采用电子换向,取消了有刷电机中的电刷和换向器,克服了传统有刷电机的诸多缺点,具有良好的起动和调速性能、结构简单、易于维护、可靠性高、成本低廉等诸多优点,但是,其换向过程中的转矩脉动较大,尤其是在低速运行时严重影响驾驶员的操纵舒适性。 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)与无刷直流电机具有相似的结构,不同之处在于永磁同步电机的基波反电动势为正弦波,而无刷电机的反电动势为梯形波。由于两种电机的气隙磁场和反电动势波形不同,故其控制方式也不尽相同。此外永磁同步电机还需要高精度的转子位置传感器。与无刷电机相似,永磁同步电机采用永磁体产生励磁磁场,省去了励磁绕组和机械换向装置,其结构简单、易于维护且具有较高的转矩惯量比、效率高、功率密度大。当采用适当的控制策略时,永磁同步电机具有与直流电机相媲美的转矩响应性能。更重要的是,相较于无刷直流电机,永磁同步电机输出转矩脉动小、低速运行平稳,当应用于EPS系统时,可以提供更为平滑的助力转矩,有利于提高驾驶员的操纵舒适性。然而,由于永磁同步电机需要高精度的位置传感器,故其成本较高,此外作为一种永磁交流电机,其控制算法也较为复杂。但是,近年来,随着汽车电子技术发展和新型传感器的应用,以及对永磁同步电机控制方法的深入研究,使得永磁同步电机在EPS系统中得到了越来越广泛的应用。 感应电机(Induction Motor)通过定子绕组旋转磁场在转子绕组中形成感应电流,转子感应电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩。由于感应电机定子磁场和转子磁场是由定子绕组和转子绕组产生,无机械换向机构和永磁体,无需高精度的转子位置传感器,其成本更为低廉,可靠性更高,因此一些国外EPS厂商也开始尝试将其应用于EPS系统。但是相较于无刷电机和永磁同步电机,感应电机转动惯量较大,转矩惯量比较低,当应用于EPS系统时,其转矩响应性能较永磁同步电机差,此外,在低转速运行时,其效率及功率因数较低,功率密度小,相同输出功率下,感应电机的体积要比永磁同步电机和无刷电机大,不利于EPS系统的布置与安装。 相较于其他的助力电机,永磁同步电机以其优良的性能和广阔的发展前景越来越受到各大EPS厂商的青睐,美国的TRW、德国的ZF和蒂森克虏伯等EPS主要供应商都相继推出了各自的永磁同步电机EPS系统产品。国内EPS厂商对于永磁同步电机应用于EPS系统的控制策略也在飞速发展,比亚迪、蔚来等新能源车大厂都已使用永磁同步电机作为EPS的助力电机。为此本文选择永磁同步电机作为EPS系统的助力电机。 **2.1永磁同步电机的数学模型** 永磁同步电机的定子一般采用三相对称的分布式短距绕组,以得到接近正弦的相电动势,并且采用转子斜极或定子斜槽等措施来降低齿槽转矩、振动和噪声。调速永磁同步电动机的转子结构有很多种,根据永磁体在电机转子上的安装形式分为表贴式(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor,SPMSM)和内置式(Inner-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)两种结构。 ![表贴式PMSM](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/ea053e5724846bb542fa7091cba0d248.png) 表贴式PMSM ![内置式PMSM](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/79710990e92247acb7ada831b8967b8b.png) 内置式PMSM 永磁同步电机的A、B、C三相绕组分布在定子槽中,而永磁磁钢则安装在转子上。定子和转子的磁场通过气隙进行耦合。但是,电机的加工误差、运行中的温度变化以及磁路的饱和等因素使得定子与转子间的电磁耦合关系变得复杂,这对电机的分析和控制造成了不小的困难。为了简化对永磁同步电机的分析和控制,通常会做出以下假设: (1)忽略磁路饱和、磁滞以及涡流损耗,电机磁路为线性可叠加的; (2)转子上无阻尼绕组,永磁体无阻尼作用; (3)电机定子三相绕组空间对称,各相绕组的感应电动势均为正弦波; (4)永磁体的磁导率与空气相同,且不计铁芯磁阻; (5)定子电流和转子永磁体产生的磁场均为正弦分布,忽略磁场中高次谐波磁势。 **2.1.1 静止三相坐标系下的数学模型** ![PMSM简化物理结构模型](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/13600ab0d7c00d2b5fa66f955ed3c10e.png) PMSM简化物理结构模型 在静止ABC坐标系中,A、B、C坐标轴的轴线分别为定子三相绕组的轴线,并将定子绕组A相绕组的轴线作为静止ABC坐标系的参考轴线。 可以写出PMSM基本的三相电压方程和磁链方程: ![`9%RVJFYJJB9PZKHR%`VG{8.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/a7bf96a97c7d86ea9cd7e887d68c1905.png) ![)LHV}`17NHBET1@~C`B%KV0.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/f741d57c90ae3391ff209e7be27f0c24.png) 此外,还可以写出PMSM电磁转矩方程和运动方程为: ![(%95~(KRW]O_]M2W91CWQ4X.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/a489f6d5b69cad1c3220f4c14f6b6fef.png) 由此可知,在静止ABC坐标系下,永磁同步电机的数学模型包括一组与转子位置相关的非线性时变方程。这些方程的系数变化使得在分析电机特性和设计控制器时求解这些变系数微分方程组变得极其复杂。因此,为了有效地进行永磁同步电机的分析与控制,寻找一个更简便的数学模型变得尤为重要。 **2.1.2静止两相坐标系下的数学模型** ![WD]2~VM3UZ{8`Z}NA30VE2D.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/13600ab0d7c00d2b5fa66f955ed3c10e.png) 通过适当的坐标变换,可将ABC坐标系下电机的电压、磁链等参量在αβ坐标系下表示出来,常用的坐标变换方式有等功率变换和等幅值变换,本文采用等幅值变换,其基本原则是变换前后电流产生的磁动势等效,变换参量的幅值保持不变。通常将由ABC坐标系到αβ坐标系的转换称为Clarke变换,根据上述坐标变换原则 Clarke变换: ![0CATS7EB$44$]{8F032_1NO.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/3bce3d417e695ea838cef7c6d645a7a2.png) 同理,可得Clarke逆变换: ![TNYJTPDHBJARQ(}078(MV1B.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/18c382ad74a6da8d45bcc694e0294be3.png) **2.1.3同步旋转dq坐标系下的数学模型** 静止αβ坐标系与同步旋转dq坐标系的空间位置关系。其中同步旋转dq坐标系固定在转子上,并随转子以相同的转速在空间内旋转,直轴(d轴)方向与永磁体磁链矢量方向重合,而交轴(q轴)超前d轴90度 Park变换: ![8IK@(@2NP@UYGECWN9U`E(P.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/ca7653292f5ed21a5cbfb7fc8e8b0cfd.png) 将αβ坐标系下的磁链方程经Park变换可得dq坐标系下的磁链方程为 ![~(TYH_60(_8OT3AWK}8%JA2.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/0cde3d68a60fa0449d081ef86317691c.png) **2.2永磁同步电机转矩控制策略** PMSM在dq坐标系下的电磁转矩与定子电流交直流分量呈线性关系,所以通过控制电流就可以实现对电机的控制,而且就转矩控制而言,可以获得与直流电机同样的控制品质。 根据永磁同步电机的用途不同,其定子电流矢量有多种不同的控制方式。其中较为常用的有最大转矩电流比控制、 控制、 控制、恒磁链控制、弱磁控制等。对比上述几种的电流控制方法,针对大功率的PMSM伺服系统,比较适合采用cos=1控制和恒磁链控制以获得较高的功率因数,充分利用逆变器容量;对于像EPS系统这样功率不是很大,但对过载能力和转矩响应性能有较高要求的永磁同步电机伺服系统,在恒转矩区可采用id=0控制,而在恒功率区宜采用弱磁控制。 在实际矢量控制过程中,首先需要采集电机电流和电机转子位置,然后通过Clarke变换和Park变换将三相交流电流转换为dq坐标系下的两相直流电流id和iq,两相直流电流id和iq与其设定值id=0和iq(目标转矩)的误差分别经两轴电流控制器调节后输出相应的两轴参考电压ud和uq,ud和uq再经过Park逆变换转换为αβ坐标系下的两轴分量uα和uβ作为SVPWM模块的输入,而后SVPWM模块输出相应的PWM信号通过逆变器转换为相电压作用于PMSM以产生电流。 ![GH~)NG95DNC9ZLU{O2D`5AI.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/b20d3c02b1b3f7d1f077395f93ce82af.png) 为了验证PMSM矢量控制的控制效果,在Matlab/Simulink下搭建了永磁同步电机矢量控制模型,仿真时间为0.5s,电机转速目标值为1000r/min,负载力矩为10N.m,电机转速,转矩和A相电流图如下图所示: ![}W@N)ZULX[$A9Z~5{]3KQ}1.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/2d71fbcc646812955cab1250774763ce.png) ![A6A}UL~GC4FRK_[469]ADYU.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/d815fb09d9a8849d8c93cc9cad2534ca.png.webp) **3 系统硬件设计** 本系统要控的电机是一款德昌电机。根据测试数据可知,其转速可以达到6000r/min,电流可以达到90多安,系统的设计目标包括开环,电流环,转速环以及定子电阻,交直轴电感的识别。 ![65GGYY)U~_}CAM2TP]}0C}X.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/afd6dc69970ef0d7941eadd0e38861a5.png.webp) 主电路PCB设计 ![_`~8$M2%TG5Y0FA7ZZLU@IK.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/a18b490491a09c716fa8f6351e7cc09a.png.webp) 电流传感器PCB设计 ![V`V}G(OY`{SGVY$$)E85P`Q.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/94a45e2461e0259c47c2acdaf94acbce.png) 整体实验组装 ![0([I[B]%@QQ})YHSJ(Z4}WX.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/4bbb7a989b03e61055b951b834731103.png.webp) **4 实验结果** ![5FE5T)`JS~DM(MO4PRECJJB.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/9b87b73a1b3d6fcad65ddf4709f70b69.png.webp) 1kHz三相电流图 ![R()`@QLB)Q}DH(3%I@ETAMA.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/bf07e8888d92d5c0563f24dda45b4f6b.png.webp) 上位机采集到的三相电流图 ![WHB@KDROLJB8MD](1LTA}`4.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/67c874b2bd17553d793c3f297727c1d7.png.webp) 正负序电流的提取 ![0F)BXQ14I~2@19}H}414F3Q.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/138e77c3d6f8f6ed3e6a53694938566e.png.webp) 交直轴电感辨识值 ![E[UGQW59SNU~FP}L)]IO1JD.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/74ef49e8c226e382bd919b112a3a7ad6.png.webp) 交直轴电感辨识图 **5 部分代码** ![微信图片_20240914230307.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/78c39ecb0365cd002b580c5713f12027.png) ![微信图片_20240914230558.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/8aa5671b164d114aeeae909c56afbbee.png) ![微信图片_20240914230720.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240914/758f42f32b3186108dc6c6f6ffcf0e28.png)
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