1.4 電動機調速系統的構成及其研究方法

圖1-10給出了一般化的電氣調速系統原理框圖。實現電動機的電氣調速首先需要一個主電路系統，它以電動機為主體，并由受控的電能變換裝置向其供電。現代電能變換裝置基本上是由電感、電容、二極管和IGBT等器件構成的開關式電能變換裝置，該裝置將外部的電能轉換成機械動力源（直流電動機或交流電動機）需要的電能。對直流電動機來說電能變換裝置通常是電壓可以調節的直流電源；對于實施變頻控制的交流電動機來說，電能變換裝置是指可以變壓變頻的逆變器。電能變換裝置受控于控制系統，可以認為該變換裝置就是將IGBT等開關器件的控制信號進行電壓、電流和功率放大的裝置。

圖1-10 電氣調速系統原理框圖

為了能夠很好地控制電能變換裝置輸出合適的電能供電動機使用，往往需要對電能變換裝置施加高性能的閉環控制，見圖1-10中的控制系統部分。根據電動機的期望運行狀態（轉速、轉矩或者功率等）和傳感器得到的電動機實際運行狀態進行比較分析，采用合適的電動機控制技術，獲得電動機期望的物理量（電壓、電流、頻率等）。然后，將該物理量通過電能變換裝置的PWM控制技術轉化成開關信號（0和1），從而通過控制電能變換裝置輸出合適形式的電能實現對電動機轉速和轉矩的控制。

交流電動機數學模型非常復雜，變量眾多，并且存在強烈的耦合和非線性，這些因素導致了難以對電動機的運行過程進行深入分析。求解出電動機變量的解析解通常不大現實；強烈的耦合導致了一個變量的變化會引發諸多變量的變化，所以難以對多個變量同時進行分析，增大了理解和控制的難度；由于存在較強的非線性，所以定性分析在小范圍內是可行的，在大范圍內可能會出現錯誤。

研究人員長期以來采用各種方法來對交流電動機調速系統的運行過程進行了研究。早期采用了由各種模擬電路搭建的模擬計算機實現對交流電動機的建模與仿真，這種方法使我們對電動機內部各變量的變化規律有較好的理解。但是模擬計算機與生俱來的溫度漂移、數值范圍比較有限等缺點限制了它的推廣。在數字計算機出現以后，采用各種軟件來模擬交流電動機從而實現對其內部變量進行數字仿真得到了廣泛的應用，除了MATLAB軟件，像PSIM、SABER、PSCAD、PSPICE等軟件都可以對交流電動機進行數字仿真。圖1-11給出了在MATLAB/SIMULINK環境下的PMSM仿真框圖。

MATLAB R2018b提供了面向汽車行業應用的Powertrain Blockset（動力總成模塊集，用于搭建動力傳動相關的縱向車輛模型，用于汽車燃油經濟性和動力性能的仿真與設計優化）、Vehicle Dynamics Blockset（車輛動力學模塊集，提供了完備的車輛動力學模塊庫和多自由度整車模型，可在3D虛擬環境下對車輛駕駛和操控進行模擬）、Automated Driving System Toolbox（自動駕駛系統）等工具集。MATLAB R2020a推出了Motor Control Blockset電機控制模塊集，它提供了一系列模塊可為交流電機創建和優化磁場定向控制算法。這些模塊包括帕克和克拉克變換、無傳感器觀測器、弱磁、空間矢量發生器和磁場定向控制（FOC）自動調節器。該工具集提供了電機控制算法庫為生成緊湊型代碼專門做了優化，并且為多個電機控制硬件套件提供現成支持。提供了包括電機控制算法、傳感器解碼器和觀測器、電機參數估計、電機模型等在內的參考示例。用戶可以使用模塊集包含的電機和逆變器模型，在閉環仿真中驗證控制算法；可以借助模塊集參數估計工具，在電機硬件上運行預定義的測試，準確估計定子電阻、d軸和q軸電感、反電動勢等；可以將這些電機參數值置入到閉環仿真以分析控制器的設計。MATLAB R2020b版本提供了全新的Road Runner Scene Builder產品，可利用高精度地圖自動創建道路網絡。MATLAB R2022a版本推出了Virtual Vehicle Composer的app，使用虛擬車輛組建工具來配置和構建整車模型，實現包括組件選型、燃油經濟性和行駛工況的跟蹤。

圖1-11 MATLAB/SIMULINK環境下的永磁電動機系統仿真框圖

圖1-12 電動汽車用電動機驅動系統仿真分析平臺

計算機仿真可以以其較低的成本幫助我們實現對電動機運行過程的深入分析。而實際調速系統仍需要使用各種數字控制器實現實時控制，例如微處理器（Microprocessor）、單片微型計算機、高速數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）等。目前，TI、Infineon、Freescale、Motorola等公司的高性能數字信號處理器已經在電動機控制領域得到了廣泛的應用，DSP器件已經成為交流電動機控制器中的首選。

對采用DSP控制的實物系統來說，初學者較難上手，并且系統的成本較高，開發起來也不容易。于是出現了dSPACE、RT-LAB等半實物系統仿真：采用MATLAB實現控制系統的算法建模，然后將其導入到dSPACE硬件平臺中，接下來利用dSPACE系統提供的接口實現逆變器和交流電動機的控制。所以開發過程較快，成為近些年來較為流行的一種研究方式。圖1-12給出了一個電動汽車用電動機驅動系統的仿真分析平臺。