電動(dòng)汽車永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速研究_圖文

1、摘 要本文圍繞電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM調(diào)速系統(tǒng)展開工作，主要從控制角度研究擴(kuò)展PMSM的調(diào)速范圍。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有體積小、效率高以及功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，特別是內(nèi)置式PMSM具有較寬的弱磁調(diào)速能力。上個(gè)世紀(jì)80年代以來，隨著稀土永磁材料性價(jià)比的不斷提高，以及電力電子器件的快速發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究也進(jìn)入了一個(gè)新的階段。矢量控制理論是交流調(diào)速領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。本論文詳細(xì)討論了永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制，在推導(dǎo)其精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的幾種矢量控制策略，包括了id=0控制、cos=1控制以及最大轉(zhuǎn)矩/電流控制方式。弱磁控制是永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的前沿課題。論文分析

2、了永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速原理，提出了三種特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的新弱磁方案。本文還圍繞電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件開發(fā)展開工作。以TI公司專用于電機(jī)控制的TMS320LF2407A型數(shù)字信號(hào)處理器(DSP作為核心，開發(fā)了全數(shù)字化的PMSM矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，并完成相應(yīng)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。最后對(duì)所設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明采用本文所提出的全速范圍弱磁控制算法具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，可以滿足調(diào)速系統(tǒng)弱磁性能要求。關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；矢量控制；弱磁控制；控制器AbstractThis dissertation is devoted to the study on

3、Permanent magnet synchronous motor (PMSM drive system for electric vehicle (EV application. It is mainly to improve the control of motors, then expand the scope of the motor speed. PMSM has the advantage of small volume, high efficiency and power density, especially inner permanent magnet synchronou

4、s motor have the ability of wide field-weakened operation. Therefore there search on PMSM has entered a new stage since the 1980s with the improvement of ratio between the performance and the price of the rare earths PM material and the development of the power electronics devices. Vector control (V

5、C theory is a great breakthrough in the AC speed control field. Also details of the VC of PMSM is presented in the paper，and the analysis of several circuit control strategies of VC theory applied to the PMSM control，which include the id=0 control，cos =1 control and the max torque/current control. T

6、he paper discusses the theory of weaking flux speed control of PMSM which is a new development direction. Then it brings out three new weaking flux plans，which have special rotor structures. This dissertation is devoted to the study of hardware on PMSM drive system for EV application. Based on TI co

7、mpany DSP special-designed for motor control on TMS320LF2407A designs and develops a full-digital PMSM vector control system, and hardware of the system is accomplished. Finally, the experiment has been done for the drive which design in the paper. Result of the experiment indicate validity of the f

8、ield-weakening method which introduced in the paper.Key word : PMSM Vector control field-weakened operation controller目 錄1 緒論 31.1 課題背景及意義 3電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 51.2.1 國內(nèi)外主要國家電動(dòng)汽車發(fā)展情況 51.2.2 電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì) 71.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制研究現(xiàn)狀 8從改進(jìn)控制方法角度提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁能力 8從電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁能力 91.4 課題主要工作 92 電動(dòng)汽車永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速控制策略分析 1

9、02.1 永磁同步電動(dòng)及數(shù)學(xué)模型 102.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理 152.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制基本電磁關(guān)系 162.3.1 電壓極限橢圓 162.3.2 電流極限圓 182.3.3 恒轉(zhuǎn)矩軌跡 182.3.4 最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡 192.4 永磁同步電動(dòng)電流控制策略 192.4.1 id=0控制 192.4.2 控制 212.4.3 最大轉(zhuǎn)矩/電流控制 222.4.4三種電流控制策略的比較 252.5 永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制 262.5.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制的基本原理 262.5.2 最大輸入功率弱磁控制 292.5.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速能力的提高 302.5.4

10、永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速困難原因分析 312.5.5 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速方案 322.6 本章小結(jié) 343 電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)的DSP控制 343.2電動(dòng)汽車電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 353.3 基于TMS320LF2407A DSP的電動(dòng)汽車電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì) 353.3.1 速度給定模塊 363.3.2 電機(jī)相電流檢測電路 373.3.3 位置檢測接口電路 383.3.4 PWM信號(hào)輸出及動(dòng)作保護(hù)電路 393.4 軟件控制簡要說明 403.5 轉(zhuǎn)子位置與速度檢測 413.5.1 轉(zhuǎn)子位置檢測 423.5.2 轉(zhuǎn)子速度檢測 433.5.3 最小和最大轉(zhuǎn)速計(jì)算 431 緒論1.1

11、課題背景及意義汽車自1866年誕生以來，應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家物質(zhì)生活和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，汽車工業(yè)己經(jīng)成為世界經(jīng)濟(jì)和各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車帶給人們方便、快捷和舒適的現(xiàn)代生活的同時(shí)，也帶來了日益增多的交通安全問題、日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染和潛在的能源危機(jī)。汽車的發(fā)展時(shí)刻面臨著安全、環(huán)保和節(jié)能三大主題。世界各國政府和科技工作者都在探索新途徑，一方面控制汽車污染物的排放降低油耗，世界各大汽車公司均積極研發(fā)和應(yīng)用排放新技術(shù)，如三元催化器、廢氣再循環(huán)、柴油機(jī)廢氣煙霧微粒過濾裝置等，另一方面推進(jìn)各種汽車清潔技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，各種超低排放汽車不斷面世，如電動(dòng)汽車、清潔燃

12、料汽車等。電動(dòng)汽車由于具有低排放甚至零排放、低噪聲和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今汽車研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。現(xiàn)代電動(dòng)汽車是融合了電力、電子、機(jī)械控制以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品，是21世紀(jì)清潔有效的城市交通工具。它以電力為動(dòng)力，可以解決石油資源日漸枯竭的問題。作為清潔、節(jié)能的新型交通工具，電動(dòng)車具有無與倫比的優(yōu)勢(shì)，是唯一可以做到“零排放”的車輛。它在行駛過程中沒有污染，熱輻射低，噪音小，不消耗汽油，可應(yīng)用多種能源，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，因此受到世界各國的歡迎。開發(fā)高性能、無污染的電動(dòng)汽車得到各國政府、汽車制造商、科研院所的高度重視，紛紛制定電動(dòng)汽車研制計(jì)劃，掀起全球范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車開

13、發(fā)熱潮。各種電動(dòng)汽車頻頻涌現(xiàn)，并迅速推上市場。電動(dòng)汽車的研制開發(fā)對(duì)我國具有更為重要的意義。我國機(jī)動(dòng)車排放引起的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，極大地影響著人們的生活質(zhì)量。中國是一個(gè)多煤少油的國家，自1994年起，中國已成為純石油進(jìn)口國。同時(shí)，電動(dòng)汽車的發(fā)展可迅速縮短我國與發(fā)達(dá)國家在重要工業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)汽車工業(yè)的差距，并可帶動(dòng)一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展。因此電動(dòng)汽車的研究開發(fā)得到我國政府的高度重視。到“十五”末期我國在電動(dòng)汽車的三大領(lǐng)域(電池、電機(jī)、電控系統(tǒng)等方面取得了一定突破；己經(jīng)具備了自主開發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的基本能力，開發(fā)出包括交流感應(yīng)、開關(guān)磁阻、直流無刷、永磁磁阻同步等各種類型電機(jī)，雖然在電機(jī)系統(tǒng)研究上取得了相應(yīng)

14、的進(jìn)展，在整車控制器方面也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能還有待于進(jìn)一步的調(diào)整和完善。主要有:高性能動(dòng)力電池系統(tǒng)的開發(fā);高性能調(diào)速系統(tǒng)(包括多種電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)研制；整車性能優(yōu)化及集成管理單元的開發(fā)等。電動(dòng)汽車面臨的主要問題有：續(xù)駛里程有限，蓄電池使用壽命太短，蓄電池尺寸和質(zhì)量的制約，電動(dòng)汽車價(jià)格昂貴，間接污染嚴(yán)重等。其中關(guān)鍵問題是一次充電續(xù)行里程和價(jià)格，目前在車載蓄電池技術(shù)未能突破的條件下，電動(dòng)汽車調(diào)速系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車基本性能和解決這一關(guān)鍵問題的重要因素。這要求電動(dòng)汽車調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)具有盡可能高的轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩控制能力、高的運(yùn)行可靠性及在整個(gè)電動(dòng)汽車調(diào)速范圍內(nèi)具有盡可能高的

15、效率。電動(dòng)汽車這一驅(qū)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)涉及電機(jī)、電力電子、微處理器、蓄電池等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域，是趕超世界汽車行業(yè)先進(jìn)水平的關(guān)鍵。因此，對(duì)電動(dòng)汽車調(diào)速系統(tǒng)的研究開發(fā)具有重要的社會(huì)意義和工程實(shí)際意義。目前，國內(nèi)外電動(dòng)汽車用電機(jī)系統(tǒng)涵蓋了交流感應(yīng)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻等各種類型。其中永磁電機(jī)具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、低噪聲的特點(diǎn)，通過合理設(shè)計(jì)磁路結(jié)構(gòu)能夠獲得較高的弱磁性能，在電動(dòng)汽車特別是高檔電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值，作為電動(dòng)汽車用永磁電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和集成化，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短、轉(zhuǎn)矩控制準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，改善了車輛的性能。因此，開發(fā)與電動(dòng)

16、汽車整機(jī)配套的永磁電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)可行的意義。此外，我國在稀土永磁材料領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢(shì)。開發(fā)出一系列機(jī)電一體化集驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、測速、轉(zhuǎn)向?yàn)橐惑w的高度集成化的驅(qū)動(dòng)模塊，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能車用永磁電機(jī)系統(tǒng)，可以加快我國電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。1.2.1 國內(nèi)外主要國家電動(dòng)汽車發(fā)展概況一直以來 ，出于對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的關(guān)注及占領(lǐng)未來世界汽車市場的考慮 ，日本十分重視電動(dòng)汽車的研制與開發(fā)。從目前世界范圍內(nèi)的整個(gè)形勢(shì)來看 ，日本是電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展速度最快的少數(shù)幾個(gè)國家之一，特別是在混合動(dòng)力汽車的產(chǎn)品發(fā)展方面，日本居世界領(lǐng)先地位。目前，世界上能夠批量產(chǎn)銷混合動(dòng)力汽車的企業(yè) ，只有日本的

17、豐田和本田兩家汽車公司。1997年12月，豐田汽車公司首先在日本市場上推出了世界上第一款批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力轎車PRIUS。該轎車于2000年7月開始出口北美，同年9月開始出口歐洲 ，到2005年已經(jīng)在全世界2 0 多個(gè)國家上市銷售。目前推出的產(chǎn)品已經(jīng)是多次改進(jìn)后的第二代產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝更為成熟。根據(jù)豐田汽車公司的測試 ，PRIUS 轎車在城市工況下比同等排量的花冠轎車節(jié)油44.4%；在市郊節(jié)油29.7，綜合節(jié)油40.5。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示 ，豐田汽車公司已占有全球混合動(dòng)力汽車市場9 0的份額。2004年9月15日，一汽集團(tuán)與日本豐田汽車公司在北京舉行了混合動(dòng)力汽車合作項(xiàng)目簽字儀式 ，宣布雙方在2

18、005年內(nèi)，共同生產(chǎn)豐田PRIUS混合動(dòng)力轎車。PRIUS混合動(dòng)力轎車將在同年進(jìn)入中國市場。繼PRIUS混合動(dòng)力轎車之后 ，豐田汽車公司還推出了ESTIMA混合動(dòng)力汽車和搭載軟混合動(dòng)力系統(tǒng)的CROWN轎車。豐田汽車公司在普及混合動(dòng)力系統(tǒng)的低燃耗、低排放和改進(jìn)行駛性能方面已經(jīng)走在了世界的前列。此外，本田汽車公司開發(fā)的Insight混合動(dòng)力電動(dòng)汽車也已投放市場，供不應(yīng)求。2002年4 月，本田汽車公司在美國市場上投放了Civic混合動(dòng)力汽車。日產(chǎn)汽車公司于2006年向美國市場銷售Ahima牌混合動(dòng)力汽車，這是其于2002年與豐田汽車公司簽署聯(lián)合生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車協(xié)議的第一個(gè)產(chǎn)品。美國的汽車公司在電動(dòng)

19、汽車產(chǎn)業(yè)化方面比來自日本的同行遜色不少，三大汽車公司僅僅小批量生產(chǎn)、銷售過純電動(dòng)汽車，而混合動(dòng)力和燃料電池電動(dòng)汽車目前還未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，來自日本的混和動(dòng)力電動(dòng)汽車在美國市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位。美國能源部與三大汽車公司于1993年簽訂了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車開發(fā)合 同 ，其中通用汽車公司投入1.48億美元 ，福特汽車公司投入1.38億美元 ，克萊斯勒汽車公司投入8480萬美元 ，進(jìn)行為期5年的研制開發(fā)工作 ，并于1998年北美國際汽車展上展出了樣車。在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)已推出三款混合動(dòng)力概念車GM Precept、Ford Prodigy、Daimler Chrysler Dodge ESX3 。2004年1

20、2月14日，通用汽車公司與戴姆勒克萊斯勒汽車公司對(duì)外宣布，雙方將在開發(fā)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的技術(shù)領(lǐng)域攜手，共同推進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。與世界其他國家一樣，電動(dòng)汽車研發(fā)工作在我國也正在如火如荼的進(jìn)行著。“十五”期間，國家從維護(hù)我國能源安全、改善大氣環(huán)境、提高汽車工業(yè)競爭力、實(shí)現(xiàn)我國汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略高度考慮，設(shè)立“電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)” ，通過組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)，集中國家、地方、企業(yè)、高校、科研院所等方面的力量進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。為此，從2001年10月起，國家共計(jì)撥款8.8億元作為這一重大科技專項(xiàng)的經(jīng)費(fèi)。我國電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)實(shí)施4 年來 ，經(jīng)過200多家企業(yè)、高校和科研院所的2000多

21、名技術(shù)骨干的努力，目前已取得重要進(jìn)展。燃料電池汽車已經(jīng)成功開發(fā)出性能樣車，燃料電池轎車?yán)塾?jì)運(yùn)行4000 k m，燃料電池客車?yán)塾?jì)運(yùn)行8000k m；混合動(dòng)力客車已在武漢等地公交線路上試驗(yàn)運(yùn)行超過14萬k m；純電動(dòng)轎車和純電動(dòng)客車均已通過國家有關(guān)認(rèn)證試驗(yàn)。 燃料電池汽車。均采用電電混合驅(qū)動(dòng)方案 ，在整車操控性能、行駛性能、安全性能、燃料利用率等方面均已得到較大提高。2004年5月在北京召開的世界氫能大會(huì)上，我國自主研發(fā)的燃料電池轎車和客車樣車與世界領(lǐng)先的奔馳公司樣車同堂展出，引起了世界的驚贊。在10月舉行的必比登世界清潔汽車挑戰(zhàn)賽上，我國自主研發(fā)的燃料電池轎車在7個(gè)單項(xiàng)獎(jiǎng)中獲得5個(gè)A ( 在高

22、速蛇行障礙賽、噪音、排放、能耗、溫室氣體減排5個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)方面的最高等級(jí)的好成績，燃料電池城市客車也以較高的技術(shù)性能和可靠性在挑戰(zhàn)賽中取得了良好的成績。混合動(dòng)力汽車。一汽、東風(fēng)、長安、奇瑞等汽車公司對(duì)此都投入了較大的人力、物力。各車型均已完成功能樣車開發(fā)。2003 年11月8日，湖北省啟動(dòng)武漢電動(dòng)汽車試驗(yàn)示范運(yùn)行工作，先后投入6輛由東風(fēng)電動(dòng)車輛股份有限公司研制的混合動(dòng)力客車，已累計(jì)運(yùn)行14萬k m，載客15萬人次 ；混合動(dòng)力轎車按ECE城市工況與基本車型進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)顯示，其燃料經(jīng)濟(jì)性提高40左 右 ，達(dá)到了節(jié)油的目的。長安汽車公司采用同軸ISG輕度混合方案，成功開發(fā)了第二輪功能樣車和第三輪性能

23、樣車，并在國內(nèi)率先開展了混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)。經(jīng)過國家檢測機(jī)構(gòu)測試，動(dòng)力性能接近參考車的水平，綜合油耗降低接近17，排放達(dá)到歐標(biāo)準(zhǔn)。純電動(dòng)汽車。目前純電動(dòng)轎車和純電動(dòng)客車均已通過國家質(zhì)檢中心的型式認(rèn)證試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。天津清源電動(dòng)車輛有限公司等單位研發(fā)的純電動(dòng)轎車，其整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、續(xù)駛里程、噪聲等指標(biāo)已超過法國雪鐵龍公司贈(zèng)送的純電動(dòng)轎車和箱式貨車，初步形成了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)能力。北京理工大學(xué)等單位初步完成了北京理工科凌電動(dòng)車輛股份有限公司密云電動(dòng)車輛產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地的建設(shè) ，并于2003年12月30日順利通過北京市公共交通總公司組織的示范運(yùn)行車組驗(yàn)收。小批

24、量研發(fā)生產(chǎn)的4種車型 、近40輛公交車即將投入北京市奧運(yùn)電動(dòng)示范車隊(duì)的示范運(yùn)行。1.2.2 電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)1 純蓄電池驅(qū)動(dòng)的超微型汽車 這種汽車降低了汽車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程的要求 ，充電過程比較簡單 ，車速不高 ，較適合于市內(nèi)或社區(qū)小范圍內(nèi)使用。由于多數(shù)采用了鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等高性能電池，車輛性能較有保證，已進(jìn)入小批量試生產(chǎn)階段。比如，日本的Hypermini采用了高性能鋰離子電池，最高時(shí)速為90km，一 次充電可行駛115km，是一款適合未來城市道路行駛的家庭轎車。 2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)呈多樣性發(fā)展 美國傾向于采用交流感應(yīng)電機(jī)，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可靠，質(zhì)量較小，但控制器技術(shù)較復(fù)

25、雜；日本多采用永磁無刷直流電機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是效率高，起動(dòng)扭矩較大，質(zhì)量較小，但成本較高，且有高溫退磁、抗振性、較差等不足；德國、英國等大力開發(fā)開關(guān)磁阻電機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可靠，成本較低，缺點(diǎn)是質(zhì)量較大，易于產(chǎn)生噪聲。目前我國也研制成了稀土永磁無刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī) 。電動(dòng)機(jī)的使用尚無定論 ，有待今后在使用中考驗(yàn)。3 混合動(dòng)力汽車 由于受到蓄電池性能的嚴(yán)重制約，使純蓄電池型電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程舉步維艱，于是混合動(dòng)力汽車成了內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車之間的過渡產(chǎn)品，既充分發(fā)揮了現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又盡可能發(fā)揮電機(jī)驅(qū)動(dòng)無污染的優(yōu)勢(shì)?；旌蟿?dòng)力汽車將現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)與一定的儲(chǔ)能元器件通過先進(jìn)控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以大幅

26、度降低 油耗，減少污染物排放，同時(shí)技術(shù)成熟、價(jià)格便宜。 4 燃料電池汽車燃料電池汽車在成本和整體性能上，特別是行程和補(bǔ)充燃料時(shí)間上明顯優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車，并且燃料電池所用的燃料(甲醇、汽油、柴油、天然氣等來源廣泛，可實(shí)現(xiàn)無污染 、零排放等環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。所以燃料電池汽車已成為世界各大汽車公司21世紀(jì)初激烈競爭的焦點(diǎn) 。 1.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制研究現(xiàn)狀隨著電機(jī)調(diào)速控制理論、電力電子和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及永磁材料性能價(jià)格比的不斷提高，永磁同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速進(jìn)入了深入研究和廣泛應(yīng)用的階段。與此同時(shí)，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制性能也提出了更高的要求，高性能的永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)除了要有良

27、好的轉(zhuǎn)矩控制性能外，還應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍。隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)必然升高，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到電機(jī)的額定電壓或是逆變器的直流側(cè)電壓時(shí)，電機(jī)的輸入電流將不能跟蹤控制器的輸出給定電流，電流調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，要設(shè)法減小永磁同步電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，即采用弱磁控制以達(dá)到擴(kuò)速的目的。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的主磁場是由永磁體產(chǎn)生，不能像直流電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)那樣弱磁，給永磁同步電動(dòng)機(jī)的高速恒功率運(yùn)行帶來了新的問題。弱磁控制可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)能輸出恒定轉(zhuǎn)矩，高速時(shí)能輸出恒定功率，有較寬的調(diào)速范圍。較強(qiáng)的弱磁性能能夠在逆變器容量不變的情況下提高系統(tǒng)性能；或者說在保持系統(tǒng)性能不

28、變的前提下降低電機(jī)的最大功率，從而降低逆變器的容量。因此對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行弱磁控制并且拓寬弱磁范圍有著重要的意義。從改進(jìn)控制方法角度提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁能力永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場由永磁體產(chǎn)生，因此，不可能直接被減弱。其弱磁控制是利用直軸電樞反應(yīng)使電機(jī)氣隙磁場減弱，從而達(dá)到等效于減弱磁場的效果。針對(duì)以上基本思想，許多學(xué)者致力于這方面的研究，提出了眾多方案。六步電壓法。其主要思想是：當(dāng)電機(jī)弱磁運(yùn)行時(shí)，通過控制電機(jī)的功率因數(shù)角，調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和減弱電機(jī)的磁場。該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器直流母線電壓的最大利用；采用電壓模型計(jì)算電機(jī)功率因數(shù)角，受電機(jī)參數(shù)的影響相對(duì)較小?；谔摂M瞬時(shí)功率的弱磁控制方

29、法。定義虛擬瞬時(shí)功率S= |ud×iq+uq×id|，電機(jī)處于最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，S/e=0。通過尋找S/e的最優(yōu)值實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制。采用過調(diào)制技術(shù)，根據(jù)零電壓矢量作用時(shí)間判斷過調(diào)制起始點(diǎn)，用查表法確定調(diào)制比，提高逆變器直流母線電壓利用率，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁運(yùn)行區(qū)域的擴(kuò)展。采用電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制。電流調(diào)節(jié)器包括前饋解耦環(huán)節(jié)和電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)。定子交軸電流由電機(jī)角頻率給定值與實(shí)際值之間的偏差決定，定子直軸電流由每安培最大轉(zhuǎn)矩控制方案決定。由于溫升和直流母線電壓引起的電壓變化會(huì)導(dǎo)致電壓補(bǔ)償器工作不正常，嚴(yán)重時(shí)可能引起整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，將直流母線電壓

30、作為一反饋量用于電壓外環(huán)調(diào)節(jié)的改進(jìn)方案，從而使系統(tǒng)工作在最大電壓利用狀態(tài)?？刂仆猸h(huán)的電壓可以確保電流調(diào)節(jié)器在任何工況下不至于飽和，從而取得較滿意的控制效果。1.3.2 從電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁能力永磁同步電動(dòng)機(jī)不同的電機(jī)參數(shù)將引起電壓電流相量不同的變化軌跡，部分文獻(xiàn)對(duì)于電機(jī)參數(shù)變化引起的功率特性曲線差異進(jìn)行了研究和探討并且提出了各種改進(jìn)的電機(jī)結(jié)構(gòu)。主要是用復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)和漏磁路電機(jī)設(shè)計(jì)法來提高弱磁能力。1.4 課題主要工作本課題主要圍繞永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速的研究，采用矢量控制的方法研究弱磁調(diào)速，（1）對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理進(jìn)行研究，分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)

31、矩特性，損耗及效率特性；建立起精確的永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，為控制策略的研究提供基礎(chǔ)。（2）研究永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的幾種電流控制策略，對(duì)比其工作特性。針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁運(yùn)行難的特點(diǎn)，本論文將以弱磁率和凸極率為參數(shù)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁原理進(jìn)行深入的研究，并找出影響其擴(kuò)速能力的因素。（3）采用TI公司專用于電機(jī)控制的TMS320LF24O7A型數(shù)字信號(hào)處理器(DSP作為核心，開發(fā)了全數(shù)字化的PMSM矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，并完成相應(yīng)的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。（4）對(duì)所設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2 電動(dòng)汽車永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速控制策略分析2.1 永磁同步電動(dòng)及數(shù)學(xué)模型永磁

32、同步電動(dòng)機(jī)的定子與傳統(tǒng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，有空間對(duì)稱分布的A、B、C三相繞組，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，永磁體的勵(lì)磁磁場與定子繞組中電流產(chǎn)生電磁藕合作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)際上這種禍合關(guān)系是十分復(fù)雜的，為了建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通常先做如下假設(shè)：(1 電機(jī)的磁路是線性的，不計(jì)磁路飽和、磁滯和渦流的影響；(2 三相繞組是完全對(duì)稱的，在空間互差1200，不計(jì)邊緣效應(yīng)；(3 忽略齒槽效應(yīng)，定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁動(dòng)勢(shì)，忽略高次諧波；(4 不計(jì)鐵心損耗。將定子繞組中A相繞組的軸線作為空間坐標(biāo)的參考軸線as。再確定磁鏈和電流正方向后，永磁同步電動(dòng)機(jī)在A、B、C坐標(biāo)系下的定子方程為：式

33、中， ， ， 式中，A、B、C三相繞組電流;A、B、C三相繞組電壓;Rs 電子繞組的電阻;LA、LB、LC 電機(jī)定子繞組自感系數(shù);MXY 定子X繞組與Y繞組間的互感系數(shù); 轉(zhuǎn)子永磁體磁極的勵(lì)磁磁鏈;轉(zhuǎn)子d軸超前定子A相繞組軸線的電角度。從以上的公式中，可見在A、B、C坐標(biāo)系中，永磁同步電動(dòng)機(jī)的模型方程不僅復(fù)雜，而且電耦合程度還與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，即方程是非常定的。分析正弦波電流控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)最常用的方法就是dq數(shù)學(xué)模型，它不僅可用于分析正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，也可用于分析電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能。經(jīng)過坐標(biāo)變換得到永磁同步電動(dòng)機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：電壓方程磁鏈方程電磁轉(zhuǎn)矩方程機(jī)械運(yùn)動(dòng)

34、方程式中，u 電壓；i 電流； 磁鏈；d、q 下標(biāo)，分別表示定子的d、q軸分量；2d、2q 下標(biāo)，分別表示轉(zhuǎn)子的d、q軸分量；Lmd、Lmq 定、轉(zhuǎn)子間d、q軸互感；Ld、Lq 定子繞組d、q軸電感，Ld=Lmd+L1，Lq=Lmq+L1；L2d、L2q 轉(zhuǎn)子繞組d、q軸電感，L2d=Lmd+L2，L2q=Lmq+L2；Ll、L2 定、轉(zhuǎn)子漏電感；if 永磁體的等效勵(lì)磁電流(A，當(dāng)不考慮溫度對(duì)永磁體的影響時(shí)，其值為一常數(shù)，；永磁體產(chǎn)生的磁鏈，可由求取，e0為空載反電動(dòng)勢(shì)，其值為每相繞組反電動(dòng)勢(shì)有效值的倍，即；J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載機(jī)械折算過來的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R 阻力系數(shù)；TL 負(fù)載轉(zhuǎn)

35、矩；P =d/dt 微分算子。對(duì)絕大多數(shù)正弦波調(diào)速永磁電動(dòng)機(jī)來說，轉(zhuǎn)子上不存在阻尼繞組，因而，電動(dòng)機(jī)的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程可簡化為a 空間矢量圖 b 向量圖圖2.1 PMSM空間矢量圖和向量圖如果把上式中的有關(guān)量表示成空間向量的形式，則d、q坐標(biāo)系下永磁同步電動(dòng)機(jī)的空間向量圖如圖2.1a所示。從圖中可以看出，定子電流空間矢量與磁鏈空間矢量同相，而定子磁鏈與永磁體產(chǎn)生的磁鏈的空間電角度為，且 (2.8 由上式可以看出，永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩中含有兩個(gè)分量，第1項(xiàng)是永磁轉(zhuǎn)矩Tm，第2項(xiàng)是由轉(zhuǎn)子不對(duì)稱所造成的磁阻轉(zhuǎn)矩Tr。對(duì)凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)，一般Lq>Ld，因此為了充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不

36、對(duì)稱所造成的磁阻轉(zhuǎn)矩，應(yīng)該使電動(dòng)機(jī)的直軸電流分量為負(fù)值，即大于900。電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為電壓可表示為相應(yīng)的輸入功率電磁功率為了推導(dǎo)方便，對(duì)dq坐標(biāo)系下的永磁同步電動(dòng)機(jī)的方程標(biāo)么化，上標(biāo)*表示標(biāo)么化以后的物理量。在永磁同步電動(dòng)機(jī)分析中采用如下標(biāo)么化處理方法：式中，、和分別是轉(zhuǎn)矩、電流、電壓和電角速度的標(biāo)么值。經(jīng)過標(biāo)么化處理后的轉(zhuǎn)矩方程為 （2.14）式中，凸極率，其直接決定磁阻轉(zhuǎn)矩的大小。對(duì)于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于直軸磁路上有永磁體，所以Ld<Lq(即，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，Ld=Lq，因此不存在磁阻轉(zhuǎn)矩。在內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中，根據(jù)不同運(yùn)行區(qū)域，靈活有效地利用這個(gè)磁

37、阻轉(zhuǎn)矩可以增加電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩或擴(kuò)大其調(diào)速的范圍。而且，當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，僅是一組常系數(shù)的線性微分方程。磁鏈與電流的關(guān)系也是線性關(guān)系。對(duì)于穩(wěn)態(tài)時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)，在dq坐標(biāo)系下的電壓方程進(jìn)行標(biāo)么化處理后得從永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖(圖2.1b，可得電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)為并且，可以推導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)功率角占的正切2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的問題就是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的高性能控制。對(duì)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的要求可歸納為：響應(yīng)快、精度高、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、系統(tǒng)效率和功率因數(shù)高等。從上一節(jié)中對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的分析可以看出，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的控制可歸結(jié)為對(duì)交軸電流和直軸電流

38、的控制。交、直軸電流的不同組合，將影響控制系統(tǒng)的效率、功率因數(shù)及轉(zhuǎn)矩輸出能力等。如何根據(jù)給定的轉(zhuǎn)矩來確定交軸電流和直軸電流，實(shí)際上就是對(duì)定子電流矢量控制的問題。失量控制實(shí)際上是對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流矢量相位和幅值的控制。從式(2.8可以看出，當(dāng)永磁體的勵(lì)磁磁鏈和交、直軸電感確定以后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流的空間矢量is，而is的大小和相位又決定于id和iq，也就是說控制id和iq便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于一定的和，通過這兩個(gè)電流的控制，使實(shí)際id和iq跟蹤指令值和，便實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。由于實(shí)際饋入電動(dòng)機(jī)的電樞繞組的電流是三相交流電流iA、iB、iC，因此，三相電

39、流的指令值、必須由下面的變換從和得到: （2.18）上式中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)由位于電動(dòng)機(jī)非負(fù)載端軸伸上的速度、位置傳感器(如光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等提供。通過電流控制環(huán)，可以使電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸入三相電流iA、iB、iC與給定的指令值、一致，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。2.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制基本電磁關(guān)系正弦永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制運(yùn)行時(shí)與系統(tǒng)中的逆變器密切相關(guān)的，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能要受到逆變器的制約。最為明顯的是電動(dòng)機(jī)的相電壓有效值的極限值Ulim和相電流有效值的極限值Ilim要受到逆變器直流側(cè)電壓和逆變器的最大輸出電流的限制。當(dāng)逆變器直流側(cè)電壓最大值為Uc時(shí)，Y型接法的電動(dòng)機(jī)可達(dá)到的最大基

40、波相電壓有效值而在dq軸系統(tǒng)中的電壓極限值為。2.3.1 電壓極限橢圓電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓矢量的幅值將式(2.10代入上式，可得穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的電壓方程由于電動(dòng)機(jī)一般運(yùn)行于較高的轉(zhuǎn)速，電阻遠(yuǎn)小于電抗，因此電阻上的電壓降可以忽略不計(jì)，上式可簡化為以u(píng)lim代替上式中的u，有對(duì)于凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡是關(guān)于d軸對(duì)稱的一條曲線，且在坐標(biāo)原點(diǎn)處與q軸相切，在第二象限和第三項(xiàng)向內(nèi)的漸進(jìn)線均為一條450的直線。這些清楚的反映了d、q軸電感不相等的永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，因?yàn)閝軸代表永磁轉(zhuǎn)矩，恒轉(zhuǎn)矩曲線上各點(diǎn)是永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的合成。當(dāng)轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡靠近q軸，說明永磁

41、轉(zhuǎn)矩起主要作用。當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，與電流平方成正比的磁阻轉(zhuǎn)矩要比與電流呈線性關(guān)系的用磁轉(zhuǎn)矩增加得更快，故最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡越來越偏離q軸。2.4 永磁同步電動(dòng)電流控制策略永磁同步電動(dòng)機(jī)用途不同，電動(dòng)機(jī)電流矢量控制策略也各不相同。可采用的控制方法主要有：id=0控制、控制、恒磁鏈控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、弱磁控制、最大輸出功率控制等，不同的電流控制方法有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，本節(jié)就幾種常用的矢量控制方法進(jìn)行分析。2.4.1 id=0控制id=o控制又叫磁場定向控制，這是一種比較簡單的電流矢量控制方法，該方法電流算法的計(jì)算量小，很適宜用普通單片機(jī)作為主控單元的系統(tǒng);另外，該方法沒有電樞反應(yīng)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的去

42、磁問題，而且電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行期間都具有較高的效率和較高的功率因數(shù)。目前大多小功率的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)都采用id=0的控制方法。id=0時(shí)時(shí)間向量圖如圖2.4所示，從電動(dòng)機(jī)端口看，相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。定子電流中只有交軸分量，并且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，=900，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其值為 (2.26 故有，且有，功率因數(shù) 正切角對(duì)式（2.26）和式（2.31）進(jìn)行標(biāo)么話處理后可得用標(biāo)么值表示的交軸電流和功率因數(shù)與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系從電動(dòng)機(jī)的電壓方程（忽略定子電阻）和轉(zhuǎn)矩方程可以得到采用id=0控制時(shí)在逆變器極限電壓下電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速從式（2.34）可以看出，

43、采用id=0控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速既取決于逆變器可提供的最高電壓，也取決于電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)可達(dá)到的最搞電壓越大，輸出轉(zhuǎn)矩越小，則最高轉(zhuǎn)速越高。2.4.2 控制控制方法是控制交、直軸電流分量，保持永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)恒為1的控制方法。即可得，進(jìn)而可推出定子電流為將上式與電磁轉(zhuǎn)矩方程聯(lián)合求解，可得電動(dòng)機(jī)定子的合成電流矢量幅值與輸出電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，如圖5a所示，圖中曲線是在時(shí)繪制的。從圖中可以看出，在的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩存在一個(gè)極大值。當(dāng)定子電流從0開始增大時(shí)，輸出電磁轉(zhuǎn)矩也隨之增大；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的定子電流的幅值為，過了點(diǎn)后，電磁轉(zhuǎn)矩將隨定子電流的增大而減小。電動(dòng)機(jī)工作于

44、轉(zhuǎn)矩隨定子電流增大而增大的區(qū)間時(shí)，交、直軸電流與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線如圖5b所示。除了轉(zhuǎn)矩最大值外，對(duì)于某給定轉(zhuǎn)矩，與之對(duì)應(yīng)的總有兩個(gè)電流值，所以當(dāng)采用控制時(shí)，工作點(diǎn)通常應(yīng)選擇在區(qū)間，才能保證系統(tǒng)正常工作。圖2.5 控制時(shí)，PMSM定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線a定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系 b d、q軸電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系2.4.3 最大轉(zhuǎn)矩/電流控制最大轉(zhuǎn)矩/電流控制是在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)域，電機(jī)輸出給定轉(zhuǎn)矩條件下，控制定子電流最小的電流控制方法，也稱作單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，它是凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)用得較多的一種電流控制策略，對(duì)于隱極永磁同步電動(dòng)機(jī)，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是id=0控制。最大轉(zhuǎn)矩/電流控

45、制的控制算法是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程，滿足定子電流的條件極值下導(dǎo)出。采用最大轉(zhuǎn)矩/電流控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流矢量應(yīng)滿足把式（2.14）和帶入上式，可求得把上式表示為標(biāo)么值，并代入式（2.25），可以得到交、直軸電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為 （2.39）反過來，此時(shí)的定子電流分量id*和iq*可表示為、電動(dòng)機(jī)定子合成電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線，將其與id=0的控制方式相比較，逆變器輸出同樣大小的電流，獲得的電磁轉(zhuǎn)矩采用最大轉(zhuǎn)矩/電流控制時(shí)較大。圖7是采用不同的凸極率計(jì)算出的曲線，永磁同步電動(dòng)機(jī)的凸極率直接影響電動(dòng)機(jī)定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，凸極率越大，磁阻轉(zhuǎn)矩部分就越大，直軸電流的貢獻(xiàn)增大。圖2.6

46、 最大轉(zhuǎn)矩/電流控制時(shí)PMSM定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線a交、直軸電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 b定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系圖電流與轉(zhuǎn)矩的影響 圖因數(shù)與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡方程與電流圓交與A點(diǎn)（圖2.9），通過A點(diǎn)的電壓極限橢圓所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1。在最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡的OA段上，電動(dòng)機(jī)可以以該軌跡上的個(gè)點(diǎn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，且通過該點(diǎn)的電壓極限橢圓所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為在轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)折速度，而交點(diǎn)A對(duì)應(yīng)于輸出轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的轉(zhuǎn)矩速度。從圖上還可以看出，恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩值越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)折速度就越低。由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)電壓和電流步能超過各自的極限，故A點(diǎn)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩就是電動(dòng)機(jī)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電壓和

47、電流均達(dá)到極限值。圖定子電流矢量軌跡聯(lián)立式（2.24）和式（2.38），可以得到電動(dòng)機(jī)采用最大轉(zhuǎn)矩/電流控制且電流達(dá)到極限值時(shí)（即最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡與電流極限圓相交時(shí)）電動(dòng)機(jī)的直、交軸電流為當(dāng)電動(dòng)機(jī)的端電壓和電流均達(dá)到極限值式，由上式和電壓方程可推導(dǎo)出此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)折速度式中三種電流控制策略的比較（1）id=0控制是一種最簡單的控制方法，該方法無去磁效應(yīng)，控制算法簡單，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。其主要缺點(diǎn)是隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增大，功率因數(shù)下降較快。另外，電磁轉(zhuǎn)矩中的磁阻轉(zhuǎn)矩部分未能利用，因而主要運(yùn)用在對(duì)隱極永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制上。（2）控制由于系統(tǒng)的功率因數(shù)恒為1，使逆變器的容量得到充分的利用，但

48、該方法的最大電磁轉(zhuǎn)矩很小。（3）最大轉(zhuǎn)矩/電流控制策略可以是電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩滿足一定要求的條件下，逆變器的輸出電流最小，這有利于逆變器的功率開關(guān)器件的工作，減小了電機(jī)的銅耗。在該控制方法基礎(chǔ)上，還可以方便的加入弱磁控制方法，改善電動(dòng)機(jī)恒功率運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩的性能。因此，這是一種比較式和永磁同步電動(dòng)機(jī)的電流控制方法。但是，該方法的缺點(diǎn)是控制算法的開銷很大，普通的單片機(jī)的運(yùn)算能力無法承擔(dān)，需要使用高速度的中央控制器。2.5 永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制2.5.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制的基本原理永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制的思想來源于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁控制。根據(jù)電機(jī)學(xué)知識(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系方程如下：

49、式中，E直流電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；Ce直流電動(dòng)機(jī)電勢(shì)系數(shù)；直流電動(dòng)機(jī)每相磁通；U直流電動(dòng)機(jī)定子電壓；Ia直流電動(dòng)機(jī)電樞電流；Ra直流電動(dòng)機(jī)電樞電阻；If直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流。從式(2.43中可以看出，當(dāng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的端電壓達(dá)到極限電壓值時(shí)，要使電動(dòng)機(jī)能繼續(xù)恒功率運(yùn)行于更高的轉(zhuǎn)速，應(yīng)設(shè)法降低電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，以保證電壓的平衡。換句話說，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)可以通過降低勵(lì)磁電流而弱磁擴(kuò)速。與電勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)因由永磁體產(chǎn)生而無法調(diào)節(jié)，只有通過調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運(yùn)行時(shí)電壓的平衡，達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓方程如下式從上式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)

50、機(jī)端電壓隨轉(zhuǎn)速升高到逆變器能夠輸出的最大電壓之后，若要繼續(xù)升高電機(jī)的速度，永磁同步電機(jī)將無法再作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，而必須采取下述措施之一(或兼而用之，以維持電樞繞組的電勢(shì)平衡，從而獲得一個(gè)新的調(diào)速范圍。措施1：對(duì)于可以進(jìn)行電流相位控制的永磁同步電機(jī)，使直軸電流，并起去磁作用，以消弱永磁場(即所謂弱磁，且隨著速度的升高，起去磁作用的id分量要不斷增加，電勢(shì)平衡才能繼續(xù)維持。這種弱磁能力的大小與電樞繞組的直軸電感id成正比。措施2：使電樞電流的交軸分量iq逐漸減小，從而減小其電樞反映的助磁作用及氣隙合成磁場(這是一種等效弱磁，這種弱磁能力的大小與交軸電感iq成正比。要特別指出的是，盡管這一等效弱磁措施能

51、夠擴(kuò)展電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍之外的調(diào)速范圍(即弱磁范圍，但它以犧牲恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩為代價(jià)。因此，其能力的大小對(duì)電機(jī)的總調(diào)速范圍沒有多大影響。相反，隨著這種能力的增大(Xq的增大，恒轉(zhuǎn)矩范圍變窄，弱磁范圍變寬，電機(jī)總的調(diào)速范圍會(huì)有所減小，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性會(huì)越來越軟。另外，由于電動(dòng)機(jī)相電流也有一定的限制，增加直軸去磁電流分量而同時(shí)保證電樞電流不超過電流極限值，交軸電流的分量就相應(yīng)減小。因此，一般是通過增加直軸去磁電流來實(shí)現(xiàn)弱磁。永磁同步電機(jī)弱磁時(shí)，隨著速度的增加，直軸電流id不斷增加(直到Ilim，而交軸電流iq不斷減小(直到零。只要電流分量控制適當(dāng)，就有可能獲得一個(gè)輸出恒定功率的調(diào)速范圍(

52、即恒功率弱磁范圍。在不打破電流限制的情況下，能夠獲得寬廣的弱磁范圍的條件是，直軸電流為Ilim時(shí)的直軸電樞反應(yīng)去磁磁通能夠完全消弱磁通(指基波分量。這時(shí)電機(jī)在理論上可以在任意的高速下進(jìn)行弱磁運(yùn)行，并輸出基本恒定的功率。這一條件可表述為：式中，E0、Xd是電機(jī)在單位速度下的反電動(dòng)勢(shì)和直軸電抗。電機(jī)能夠在寬廣的弱磁范圍內(nèi)輸出盡可能大的功率的條件是Id=Ilim時(shí)的直軸電樞反應(yīng)去磁磁通能夠正好抵消永磁通，或表述為:永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速控制可以用圖所示的定子電流矢量軌跡加以闡述。圖中，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為Tem1，為電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1時(shí)可輸出的最大轉(zhuǎn)矩(電壓和電流均達(dá)到了極限值，故1即為電動(dòng)機(jī)最大恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)

53、行時(shí)的轉(zhuǎn)折速度。轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高到2(2>1時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡與電壓極限圓相交于B點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為Tem2(Tem2< Tem1，若此時(shí)定子電流矢量偏離最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡，由B電移至C點(diǎn)，則電動(dòng)機(jī)可輸出更大的轉(zhuǎn)矩Tem1，從而提高了電動(dòng)機(jī)超過轉(zhuǎn)折速度時(shí)的輸出功率。從圖上還可以看出，定子電流矢量從B點(diǎn)移至C點(diǎn)，直軸去磁電流分量增大，消弱了永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場，達(dá)到了弱磁的目的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于某一轉(zhuǎn)速時(shí)，由電壓方程可得到弱磁控制時(shí)電流矢量軌跡由電壓方程（）可以得出轉(zhuǎn)速的表達(dá)式圖2.10 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁原理圖當(dāng)電動(dòng)機(jī)端電壓和電流達(dá)到最大值，電流全部為直軸電流分量，并且忽略定子電阻的

54、影響時(shí)，電動(dòng)機(jī)可達(dá)到的理想最高轉(zhuǎn)速為2.5.2 最大輸入功率弱磁控制當(dāng)電動(dòng)機(jī)的普通弱磁控制達(dá)到轉(zhuǎn)折速度后，在增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，必須降低電機(jī)的電流，從而今年入最大輸入功率弱磁控制，此時(shí)定子電流矢量沿著電壓極限橢圓軌跡取值。電動(dòng)機(jī)超過某一轉(zhuǎn)速后，在任一給定轉(zhuǎn)速下，在電動(dòng)機(jī)電壓軌跡橢圓軌跡上存在著一點(diǎn)，該點(diǎn)所表示的定子電流矢量使電動(dòng)機(jī)輸入的功率最大，相應(yīng)地輸出功率也最大。某轉(zhuǎn)速下輸入功率最大時(shí)定子電流矢量的求解過程如下：電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于某轉(zhuǎn)速而輸入功率最大時(shí)應(yīng)為 (2.50 由電壓方程可把交軸電流分量表示為把上式和式（）帶入式（）并忽略定子電阻，可得電動(dòng)機(jī)輸入最大功率時(shí)的定子直、交軸電壓式中2.5.3 永磁

55、同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速能力的提高經(jīng)推導(dǎo)得轉(zhuǎn)折速度與凸極率、弱磁率之間的關(guān)系為式中，其對(duì)應(yīng)的曲線如圖所示。從圖中可以看出轉(zhuǎn)折速度和弱磁率、凸極率有明顯的關(guān)系。凸極率、弱磁率越大，轉(zhuǎn)折速度越低。由于最高轉(zhuǎn)速與凸極率無關(guān)，因此增加電動(dòng)機(jī)的凸極率可明顯提高電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力。定義永磁同步電動(dòng)機(jī)的擴(kuò)速倍數(shù)為k K的具體表達(dá)式為顯然，弱磁擴(kuò)速倍數(shù)表示的是永磁同步電動(dòng)機(jī)在空載且不計(jì)電機(jī)各種損耗時(shí)的弱磁擴(kuò)速能力。將式繪制成曲線，如圖所示。從如中可以看出，永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力隨弱磁率的增加而提高，如果同時(shí)增加電動(dòng)機(jī)的凸極率，則弱磁擴(kuò)速能力會(huì)有更明顯的提高。圖轉(zhuǎn)折速度與、的關(guān)系 圖弱磁擴(kuò)速倍數(shù)與、的關(guān)系2.

56、5.4 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速困難原因分析上述永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速都是從理論上進(jìn)行分析的，實(shí)際上永磁同步電動(dòng)機(jī)是難于弱磁擴(kuò)速度的，原因就在于其磁路結(jié)構(gòu)的特殊性。盡管永磁同步電機(jī)有多種多樣的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但無論是并聯(lián)永磁路轉(zhuǎn)子還是串聯(lián)永磁路轉(zhuǎn)子，永磁體總是串聯(lián)在直軸磁路中，并占去交軸磁路的部分空間。因此，交、直軸磁路的等效氣隙都很大，Xd、Xq都較電勵(lì)磁電機(jī)的小很多，并有Xd< ，其后果是，建立同樣大小的電樞反應(yīng)氣隙磁場，永磁同步電機(jī)要求比電勵(lì)磁同步電機(jī)大得多的電負(fù)荷，而在正常的電負(fù)荷 ( 由熱負(fù)荷能力確定 下，永磁同步電機(jī)的交、直軸電樞反應(yīng)微乎其微。如果永磁體提供正常的勵(lì)磁磁場 ( 由永

57、磁體的性能及定、轉(zhuǎn)子鐵心飽和磁密決定 ，則額定電流產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)磁通只能消弱永磁通的極小部分，即弱磁率太低。用電勢(shì)關(guān)系表述即為 : 所以，普通永磁同步電機(jī)不滿足產(chǎn)生寬廣恒功率弱磁調(diào)速范圍的條件式和式。式是普通永磁同步電機(jī)的固有特性，是弱磁難的原因。2.5.5 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速方案由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的固有特性，如果僅僅采用矢量控制的方式通過定子電流的直軸分量來弱磁，將達(dá)不到很好的弱磁效果。本節(jié)從電動(dòng)機(jī)本身出發(fā)，提出三種特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，使其更利于弱磁擴(kuò)速。(1 轉(zhuǎn)子復(fù)合式永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁方案這種弱磁方案的定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相同，轉(zhuǎn)子采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)永磁段轉(zhuǎn)子+磁阻段轉(zhuǎn)子，兩者之間有間隙，以防止漏磁。其中永磁段是電機(jī)出力的主要部分，其設(shè)計(jì)思路基本上與傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)相同；磁阻段是電機(jī)弱磁的主體部分。對(duì)于傳統(tǒng)的電激磁電機(jī)而言，弱磁控制是較容易實(shí)現(xiàn)的，但是對(duì)于永磁電機(jī)(如永磁同步電機(jī)而言，永磁體一旦裝在電機(jī)里就不能夠拆卸下來，而且它所產(chǎn)生的磁場大小是恒定的，這個(gè)時(shí)候要想弱磁只有利用電機(jī)的電樞反應(yīng):在高速時(shí)，通過電樞電流在電機(jī)中產(chǎn)生一個(gè)反向的磁場，部分或者完全抵消永磁場，從而實(shí)現(xiàn)高速下恒功率運(yùn)行。為