電動汽車永磁同步電動機弱磁調速研究_圖文

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

2、了永磁同步電動機弱磁調速原理，提出了三種特殊轉子結構的新弱磁方案。本文還圍繞電動汽車用永磁同步電動機調速系統(tǒng)的硬件開發(fā)展開工作。以TI公司專用于電機控制的TMS320LF2407A型數(shù)字信號處理器(DSP作為核心，開發(fā)了全數(shù)字化的PMSM矢量控制調速系統(tǒng)，并完成相應的系統(tǒng)硬件設計。最后對所設計的電動汽車用永磁同步電動機驅動系統(tǒng)進行了初步的實驗驗證，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態(tài)響應速度，可以滿足調速系統(tǒng)弱磁性能要求。關鍵詞：永磁同步電動機；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電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 51.2.1 國內外主要國家電動汽車發(fā)展情況 51.2.2 電動汽車的發(fā)展趨勢 71.3 永磁同步電動機弱磁控制研究現(xiàn)狀 8從改進控制方法角度提高永磁同步電動機的弱磁能力 8從電機結構設計提高永磁同步電動機的弱磁能力 91.4 課題主要工作 92 電動汽車永磁同步電動機弱磁調速控制策略分析 1

9、02.1 永磁同步電動及數(shù)學模型 102.2 永磁同步電動機矢量控制原理 152.3 永磁同步電動機矢量控制基本電磁關系 162.3.1 電壓極限橢圓 162.3.2 電流極限圓 182.3.3 恒轉矩軌跡 182.3.4 最大轉矩/電流軌跡 192.4 永磁同步電動電流控制策略 192.4.1 id=0控制 192.4.2 控制 212.4.3 最大轉矩/電流控制 222.4.4三種電流控制策略的比較 252.5 永磁同步電動機的弱磁控制 262.5.1 永磁同步電動機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 永磁同步電動機弱磁擴速能力的提高 302.5.4

10、永磁同步電動機弱磁擴速困難原因分析 312.5.5 永磁同步電動機弱磁擴速方案 322.6 本章小結 343 電動汽車用永磁同步電動機的DSP控制 343.2電動汽車電機調速系統(tǒng)主電路設計 353.3 基于TMS320LF2407A DSP的電動汽車電機調速系統(tǒng)控制電路設計 353.3.1 速度給定模塊 363.3.2 電機相電流檢測電路 373.3.3 位置檢測接口電路 383.3.4 PWM信號輸出及動作保護電路 393.4 軟件控制簡要說明 403.5 轉子位置與速度檢測 413.5.1 轉子位置檢測 423.5.2 轉子速度檢測 433.5.3 最小和最大轉速計算 431 緒論1.1

11、課題背景及意義汽車自1866年誕生以來，應用越來越廣泛，技術不斷發(fā)展，已經成為衡量一個國家物質生活和科學技術發(fā)展水平的重要標志，汽車工業(yè)己經成為世界經濟和各國經濟發(fā)展的支柱產業(yè)。汽車帶給人們方便、快捷和舒適的現(xiàn)代生活的同時，也帶來了日益增多的交通安全問題、日趨嚴重的環(huán)境污染和潛在的能源危機。汽車的發(fā)展時刻面臨著安全、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)和應用排放新技術，如三元催化器、廢氣再循環(huán)、柴油機廢氣煙霧微粒過濾裝置等，另一方面推進各種汽車清潔技術的開發(fā)和應用，各種超低排放汽車不斷面世，如電動汽車、清潔燃

12、料汽車等。電動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，成為當今汽車研究、開發(fā)和推廣應用的熱點之一。現(xiàn)代電動汽車是融合了電力、電子、機械控制以及化工技術等多種高新技術的綜合產品，是21世紀清潔有效的城市交通工具。它以電力為動力，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，電動車具有無與倫比的優(yōu)勢，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，可應用多種能源，結構簡單，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，紛紛制定電動汽車研制計劃，掀起全球范圍內的電動汽車開

13、發(fā)熱潮。各種電動汽車頻頻涌現(xiàn)，并迅速推上市場。電動汽車的研制開發(fā)對我國具有更為重要的意義。我國機動車排放引起的環(huán)境污染日趨嚴重，極大地影響著人們的生活質量。中國是一個多煤少油的國家，自1994年起，中國已成為純石油進口國。同時，電動汽車的發(fā)展可迅速縮短我國與發(fā)達國家在重要工業(yè)支柱產業(yè)汽車工業(yè)的差距，并可帶動一系列相關產業(yè)和技術的發(fā)展。因此電動汽車的研究開發(fā)得到我國政府的高度重視。到“十五”末期我國在電動汽車的三大領域(電池、電機、電控系統(tǒng)等方面取得了一定突破；己經具備了自主開發(fā)電機產品的基本能力，開發(fā)出包括交流感應、開關磁阻、直流無刷、永磁磁阻同步等各種類型電機，雖然在電機系統(tǒng)研究上取得了相應

14、的進展，在整車控制器方面也積累了一定的經驗，但控制系統(tǒng)的結構和功能還有待于進一步的調整和完善。主要有:高性能動力電池系統(tǒng)的開發(fā);高性能調速系統(tǒng)(包括多種電動機系統(tǒng)及內燃機系統(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，蓄電池尺寸和質量的制約，電動汽車價格昂貴，間接污染嚴重等。其中關鍵問題是一次充電續(xù)行里程和價格，目前在車載蓄電池技術未能突破的條件下，電動汽車調速系統(tǒng)是實現(xiàn)電動汽車基本性能和解決這一關鍵問題的重要因素。這要求電動汽車調速系統(tǒng)應具有盡可能高的轉矩密度、良好的轉矩控制能力、高的運行可靠性及在整個電動汽車調速范圍內具有盡可能高的

15、效率。電動汽車這一驅動功能的實現(xiàn)涉及電機、電力電子、微處理器、蓄電池等多學科技術領域，是趕超世界汽車行業(yè)先進水平的關鍵。因此，對電動汽車調速系統(tǒng)的研究開發(fā)具有重要的社會意義和工程實際意義。目前，國內外電動汽車用電機系統(tǒng)涵蓋了交流感應、永磁電機、開關磁阻等各種類型。其中永磁電機具有高效、高控制精度、高轉矩密度、低噪聲的特點，通過合理設計磁路結構能夠獲得較高的弱磁性能，在電動汽車特別是高檔電動汽車驅動方面具有很高的應用價值，作為電動汽車用永磁電機調速系統(tǒng)，可實現(xiàn)機電一體化和集成化，具有系統(tǒng)結構簡單、操作方便、可實現(xiàn)制動能量回收、系統(tǒng)響應時間短、轉矩控制準確等優(yōu)點，改善了車輛的性能。因此，開發(fā)與電動

16、汽車整機配套的永磁電機調速系統(tǒng)具有現(xiàn)實可行的意義。此外，我國在稀土永磁材料領域具有得天獨厚的資源優(yōu)勢。開發(fā)出一系列機電一體化集驅動、制動、測速、轉向為一體的高度集成化的驅動模塊，具有自主知識產權的高性能車用永磁電機系統(tǒng)，可以加快我國電動汽車的產業(yè)化進程。1.2.1 國內外主要國家電動汽車發(fā)展概況一直以來 ，出于對能源危機和環(huán)境保護的關注及占領未來世界汽車市場的考慮 ，日本十分重視電動汽車的研制與開發(fā)。從目前世界范圍內的整個形勢來看 ，日本是電動汽車技術發(fā)展速度最快的少數(shù)幾個國家之一，特別是在混合動力汽車的產品發(fā)展方面，日本居世界領先地位。目前，世界上能夠批量產銷混合動力汽車的企業(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的混合動力轎車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年已經在全世界2 0 多個國家上市銷售。目前推出的產品已經是多次改進后的第二代產品，其生產工藝更為成熟。根據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。有關統(tǒng)計數(shù)據顯示 ，豐田汽車公司已占有全球混合動力汽車市場9 0的份額。2004年9月15日，一汽集團與日本豐田汽車公司在北京舉行了混合動力汽車合作項目簽字儀式 ，宣布雙方在2

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

19、汽車產業(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、銷售過純電動汽車，而混合動力和燃料電池電動汽車目前還未能實現(xiàn)產業(yè)化，來自日本的混和動力電動汽車在美國市場上占據了主導地位。美國能源部與三大汽車公司于1993年簽訂了混合動力電動汽車開發(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。在此基礎上，現(xiàn)已推出三款混合動力概念車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外宣布，雙方將在開發(fā)混合動力電動汽車的技術領域攜手，共同推進此項技術的發(fā)展。與世界其他國家一樣，電動汽車研發(fā)工作在我國也正在如火如荼的進行著?！笆濉逼陂g，國家從維護我國能源安全、改善大氣環(huán)境、提高汽車工業(yè)競爭力、實現(xiàn)我國汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略高度考慮，設立“電動汽車重大科技專項” ，通過組織企業(yè)、高等院校和科研機構，集中國家、地方、企業(yè)、高校、科研院所等方面的力量進行聯(lián)合攻關。為此，從2001年10月起，國家共計撥款8.8億元作為這一重大科技專項的經費。我國電動汽車重大科技專項實施4 年來 ，經過200多家企業(yè)、高校和科研院所的2000多

21、名技術骨干的努力，目前已取得重要進展。燃料電池汽車已經成功開發(fā)出性能樣車，燃料電池轎車累計運行4000 k m，燃料電池客車累計運行8000k m；混合動力客車已在武漢等地公交線路上試驗運行超過14萬k m；純電動轎車和純電動客車均已通過國家有關認證試驗。 燃料電池汽車。均采用電電混合驅動方案 ，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上，我國自主研發(fā)的燃料電池轎車和客車樣車與世界領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個單項獎中獲得5個A ( 在高

22、速蛇行障礙賽、噪音、排放、能耗、溫室氣體減排5個單項指標方面的最高等級的好成績，燃料電池城市客車也以較高的技術性能和可靠性在挑戰(zhàn)賽中取得了良好的成績。混合動力汽車。一汽、東風、長安、奇瑞等汽車公司對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，湖北省啟動武漢電動汽車試驗示范運行工作，先后投入6輛由東風電動車輛股份有限公司研制的混合動力客車，已累計運行14萬k m，載客15萬人次 ；混合動力轎車按ECE城市工況與基本車型進行的對比試驗顯示，其燃料經濟性提高40左 右 ，達到了節(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，并在國內率先開展了混合動力專用發(fā)動機開發(fā)。經過國家檢測機構測試，動力性能接近參考車的水平，綜合油耗降低接近17，排放達到歐標準。純電動汽車。目前純電動轎車和純電動客車均已通過國家質檢中心的型式認證試驗，各項指標均滿足有關國家標準和企業(yè)標準的規(guī)定。天津清源電動車輛有限公司等單位研發(fā)的純電動轎車，其整車的動力性、經濟性、續(xù)駛里程、噪聲等指標已超過法國雪鐵龍公司贈送的純電動轎車和箱式貨車，初步形成了關鍵技術的研發(fā)能力。北京理工大學等單位初步完成了北京理工科凌電動車輛股份有限公司密云電動車輛產業(yè)化生產基地的建設 ，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行車組驗收。小批

24、量研發(fā)生產的4種車型 、近40輛公交車即將投入北京市奧運電動示范車隊的示范運行。1.2.2 電動汽車的發(fā)展趨勢1 純蓄電池驅動的超微型汽車 這種汽車降低了汽車的動力性和續(xù)駛里程的要求 ，充電過程比較簡單 ，車速不高 ，較適合于市內或社區(qū)小范圍內使用。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，已進入小批量試生產階段。比如，日本的Hypermini采用了高性能鋰離子電池，最高時速為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 驅動電機呈多樣性發(fā)展 美國傾向于采用交流感應電機，其主要優(yōu)點是結構簡單、可靠，質量較小，但控制器技術較復

25、雜；日本多采用永磁無刷直流電機，優(yōu)點是效率高，起動扭矩較大，質量較小，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)開關磁阻電機，優(yōu)點是結構簡單、可靠，成本較低，缺點是質量較大，易于產生噪聲。目前我國也研制成了稀土永磁無刷直流電機和開關磁阻電機 。電動機的使用尚無定論 ，有待今后在使用中考驗。3 混合動力汽車 由于受到蓄電池性能的嚴重制約，使純蓄電池型電動汽車的產業(yè)化進程舉步維艱，于是混合動力汽車成了內燃機汽車和電動汽車之間的過渡產品，既充分發(fā)揮了現(xiàn)有內燃機技術優(yōu)勢，又盡可能發(fā)揮電機驅動無污染的優(yōu)勢?；旌蟿恿ζ噷F(xiàn)有內燃機與一定的儲能元器件通過先進控制系統(tǒng)相結合，可以大幅

26、度降低 油耗，減少污染物排放，同時技術成熟、價格便宜。 4 燃料電池汽車燃料電池汽車在成本和整體性能上，特別是行程和補充燃料時間上明顯優(yōu)于其他電池的電動汽車，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，可實現(xiàn)無污染 、零排放等環(huán)保標準。所以燃料電池汽車已成為世界各大汽車公司21世紀初激烈競爭的焦點 。 1.3 永磁同步電動機弱磁控制研究現(xiàn)狀隨著電機調速控制理論、電力電子和微電子技術的迅速發(fā)展以及永磁材料性能價格比的不斷提高，永磁同步電動機的變頻調速進入了深入研究和廣泛應用的階段。與此同時，對永磁同步電動機的調速控制性能也提出了更高的要求，高性能的永磁同步電動機調速系統(tǒng)除了要有良

27、好的轉矩控制性能外，還應具有較寬的調速范圍。隨著永磁同步電動機轉速的增加，電機定子繞組的反電動勢必然升高，當反電動勢達到電機的額定電壓或是逆變器的直流側電壓時，電機的輸入電流將不能跟蹤控制器的輸出給定電流，電流調節(jié)器處于飽和狀態(tài)。此時，要設法減小永磁同步電動機的反電動勢，即采用弱磁控制以達到擴速的目的。由于永磁同步電動機的主磁場是由永磁體產生，不能像直流電機或感應電機那樣弱磁，給永磁同步電動機的高速恒功率運行帶來了新的問題。弱磁控制可以實現(xiàn)永磁同步電動機在低速時能輸出恒定轉矩，高速時能輸出恒定功率，有較寬的調速范圍。較強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的最大功率，從而降低逆變器的容量。因此對永磁同步電動機進行弱磁控制并且拓寬弱磁范圍有著重要的意義。從改進控制方法角度提高永磁同步電動機的弱磁能力永磁同步電動機的轉子磁場由永磁體產生，因此，不可能直接被減弱。其弱磁控制是利用直軸電樞反應使電機氣隙磁場減弱，從而達到等效于減弱磁場的效果。針對以上基本思想，許多學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：當電機弱磁運行時，通過控制電機的功率因數(shù)角，調整電機的輸出轉矩和減弱電機的磁場。該方法可實現(xiàn)對逆變器直流母線電壓的最大利用；采用電壓模型計算電機功率因數(shù)角，受電機參數(shù)的影響相對較小?；谔摂M瞬時功率的弱磁控制方

29、法。定義虛擬瞬時功率S= |ud×iq+uq×id|，電機處于最大轉矩運行時，S/e=0。通過尋找S/e的最優(yōu)值實現(xiàn)永磁同步電動機的弱磁控制。采用過調制技術，根據零電壓矢量作用時間判斷過調制起始點，用查表法確定調制比，提高逆變器直流母線電壓利用率，實現(xiàn)對永磁同步電動機弱磁運行區(qū)域的擴展。采用電流調節(jié)器實現(xiàn)永磁同步電動機的弱磁控制。電流調節(jié)器包括前饋解耦環(huán)節(jié)和電壓補償環(huán)節(jié)。定子交軸電流由電機角頻率給定值與實際值之間的偏差決定，定子直軸電流由每安培最大轉矩控制方案決定。由于溫升和直流母線電壓引起的電壓變化會導致電壓補償器工作不正常，嚴重時可能引起整個系統(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)調節(jié)的改進方案，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 從電機結構設計提高永磁同步電動機的弱磁能力永磁同步電動機不同的電機參數(shù)將引起電壓電流相量不同的變化軌跡，部分文獻對于電機參數(shù)變化引起的功率特性曲線差異進行了研究和探討并且提出了各種改進的電機結構。主要是用復合轉子結構的永磁同步電動機和漏磁路電機設計法來提高弱磁能力。1.4 課題主要工作本課題主要圍繞永磁同步電動機弱磁調速的研究，采用矢量控制的方法研究弱磁調速，（1）對永磁同步電動機的運行原理進行研究，分析永磁同步電動機的功率、轉

31、矩特性，損耗及效率特性；建立起精確的永磁同步電動機的數(shù)學模型，為控制策略的研究提供基礎。（2）研究永磁同步電動機矢量控制的幾種電流控制策略，對比其工作特性。針對永磁同步電動機弱磁運行難的特點，本論文將以弱磁率和凸極率為參數(shù)對永磁同步電動機的弱磁原理進行深入的研究，并找出影響其擴速能力的因素。（3）采用TI公司專用于電機控制的TMS320LF24O7A型數(shù)字信號處理器(DSP作為核心，開發(fā)了全數(shù)字化的PMSM矢量控制調速系統(tǒng)，并完成相應的系統(tǒng)軟硬件設計。（4）對所設計的電動汽車用永磁同步電動機驅動系統(tǒng)進行了實驗驗證。2 電動汽車永磁同步電動機弱磁調速控制策略分析2.1 永磁同步電動及數(shù)學模型永磁

32、同步電動機的定子與傳統(tǒng)的感應電動機定子結構基本相同，有空間對稱分布的A、B、C三相繞組，轉子上安裝有永磁體，永磁體的勵磁磁場與定子繞組中電流產生電磁藕合作用，使電動機轉動。實際上這種禍合關系是十分復雜的，為了建立永磁同步電動機的數(shù)學模型，通常先做如下假設：(1 電機的磁路是線性的，不計磁路飽和、磁滯和渦流的影響；(2 三相繞組是完全對稱的，在空間互差1200，不計邊緣效應；(3 忽略齒槽效應，定子電流在氣隙中只產生正弦分布的磁動勢，忽略高次諧波；(4 不計鐵心損耗。將定子繞組中A相繞組的軸線作為空間坐標的參考軸線as。再確定磁鏈和電流正方向后，永磁同步電動機在A、B、C坐標系下的定子方程為：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); 轉子永磁體磁極的勵磁磁鏈;轉子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坐標系中，永磁同步電動機的模型方程不僅復雜，而且電耦合程度還與轉子位置有關，即方程是非常定的。分析正弦波電流控制的永磁同步電動機最常用的方法就是dq數(shù)學模型，它不僅可用于分析正弦波永磁同步電動機的穩(wěn)態(tài)運行，也可用于分析電動機的瞬態(tài)性能。經過坐標變換得到永磁同步電動機在dq坐標系下的數(shù)學模型如下：電壓方程磁鏈方程電磁轉矩方程機械運動

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

35、矩；P =d/dt 微分算子。對絕大多數(shù)正弦波調速永磁電動機來說，轉子上不存在阻尼繞組，因而，電動機的電壓、磁鏈和電磁轉矩方程可簡化為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量表示成空間向量的形式，則d、q坐標系下永磁同步電動機的空間向量圖如圖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，永磁同步電動機的輸出轉矩中含有兩個分量，第1項是永磁轉矩Tm，第2項是由轉子不對稱所造成的磁阻轉矩Tr。對凸極永磁同步電動機，一般Lq>Ld，因此為了充分利用轉子磁路的不

36、對稱所造成的磁阻轉矩，應該使電動機的直軸電流分量為負值，即大于900。電機穩(wěn)態(tài)運行時，電磁轉矩可表示為電壓可表示為相應的輸入功率電磁功率為了推導方便，對dq坐標系下的永磁同步電動機的方程標么化，上標*表示標么化以后的物理量。在永磁同步電動機分析中采用如下標么化處理方法：式中，、和分別是轉矩、電流、電壓和電角速度的標么值。經過標么化處理后的轉矩方程為 （2.14）式中，凸極率，其直接決定磁阻轉矩的大小。對于內置式轉子結構，由于直軸磁路上有永磁體，所以Ld<Lq(即，表面式轉子結構，Ld=Lq，因此不存在磁阻轉矩。在內置式永磁同步電動機的矢量控制系統(tǒng)中，根據不同運行區(qū)域，靈活有效地利用這個磁

37、阻轉矩可以增加電動機的電磁轉矩或擴大其調速的范圍。而且，當轉速恒定時，僅是一組常系數(shù)的線性微分方程。磁鏈與電流的關系也是線性關系。對于穩(wěn)態(tài)時永磁同步電動機，在dq坐標系下的電壓方程進行標么化處理后得從永磁同步電動機的相量圖(圖2.1b，可得電動機的功率因數(shù)為并且，可以推導出電動機功率角占的正切2.2 永磁同步電動機矢量控制原理永磁同步電動機調速系統(tǒng)中，最關鍵的問題就是實現(xiàn)電動機瞬時轉矩的高性能控制。對于電動機轉矩控制的要求可歸納為：響應快、精度高、脈動轉矩小、系統(tǒng)效率和功率因數(shù)高等。從上一節(jié)中對永磁同步電動機的數(shù)學模型的分析可以看出，對永磁同步電動機的輸出轉矩的控制可歸結為對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)及轉矩輸出能力等。如何根據給定的轉矩來確定交軸電流和直軸電流，實際上就是對定子電流矢量控制的問題。失量控制實際上是對電動機定子電流矢量相位和幅值的控制。從式(2.8可以看出，當永磁體的勵磁磁鏈和交、直軸電感確定以后，電動機的轉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便可以控制電動機的轉矩。一定的轉速和轉矩對應于一定的和，通過這兩個電流的控制，使實際id和iq跟蹤指令值和，便實現(xiàn)了電動機轉矩和轉速的控制。由于實際饋入電動機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，電動機轉子的位置信號由位于電動機非負載端軸伸上的速度、位置傳感器(如光電編碼器或旋轉變壓器等提供。通過電流控制環(huán)，可以使電動機實際輸入三相電流iA、iB、iC與給定的指令值、一致，從而實現(xiàn)了對電動機轉矩的控制。2.3 永磁同步電動機矢量控制基本電磁關系正弦永磁同步電動機的控制運行時與系統(tǒng)中的逆變器密切相關的，電動機的運行性能要受到逆變器的制約。最為明顯的是電動機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電壓和逆變器的最大輸出電流的限制。當逆變器直流側電壓最大值為Uc時，Y型接法的電動機可達到的最大基

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 電壓極限橢圓電動機穩(wěn)態(tài)運行時，電壓矢量的幅值將式(2.10代入上式，可得穩(wěn)態(tài)運行時電動機的電壓方程由于電動機一般運行于較高的轉速，電阻遠小于電抗，因此電阻上的電壓降可以忽略不計，上式可簡化為以ulim代替上式中的u，有對于凸極永磁同步電動機的最大轉矩/電流軌跡是關于d軸對稱的一條曲線，且在坐標原點處與q軸相切，在第二象限和第三項向內的漸進線均為一條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機的轉矩特性，因為q軸代表永磁轉矩，恒轉矩曲線上各點是永磁轉矩和磁阻轉矩的合成。當轉矩較小時，最大轉矩/電流軌跡靠近q軸，說明永磁

41、轉矩起主要作用。當轉矩增大時，與電流平方成正比的磁阻轉矩要比與電流呈線性關系的用磁轉矩增加得更快，故最大轉矩/電流軌跡越來越偏離q軸。2.4 永磁同步電動電流控制策略永磁同步電動機用途不同，電動機電流矢量控制策略也各不相同?？刹捎玫目刂品椒ㄖ饕校篿d=0控制、控制、恒磁鏈控制、最大轉矩/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，本節(jié)就幾種常用的矢量控制方法進行分析。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算量小，很適宜用普通單片機作為主控單元的系統(tǒng);另外，該方法沒有電樞反應對永磁同步電動機的去

42、磁問題，而且電動機正、反轉運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機伺服系統(tǒng)都采用id=0的控制方法。id=0時時間向量圖如圖2.4所示，從電動機端口看，相當于一臺他勵直流電動機。定子電流中只有交軸分量，并且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，=900，電動機轉矩中只有永磁轉矩分量，其值為 (2.26 故有，且有，功率因數(shù) 正切角對式（2.26）和式（2.31）進行標么話處理后可得用標么值表示的交軸電流和功率因數(shù)與電磁轉矩的關系從電動機的電壓方程（忽略定子電阻）和轉矩方程可以得到采用id=0控制時在逆變器極限電壓下電動機的最高轉速從式（2.34）可以看出，

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

44、轉矩隨定子電流增大而增大的區(qū)間時，交、直軸電流與電機電磁轉矩關系曲線如圖5b所示。除了轉矩最大值外，對于某給定轉矩，與之對應的總有兩個電流值，所以當采用控制時，工作點通常應選擇在區(qū)間，才能保證系統(tǒng)正常工作。圖2.5 控制時，PMSM定子電流與電磁轉矩關系曲線a定子電流與電磁轉矩關系 b d、q軸電流與電磁轉矩的關系2.4.3 最大轉矩/電流控制最大轉矩/電流控制是在恒轉矩運行區(qū)域，電機輸出給定轉矩條件下，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矩的控制，它是凸極永磁同步電動機用得較多的一種電流控制策略，對于隱極永磁同步電動機，最大轉矩/電流控制就是id=0控制。最大轉矩/電流控

45、制的控制算法是根據電動機的電磁轉矩方程，滿足定子電流的條件極值下導出。采用最大轉矩/電流控制時，電動機的電流矢量應滿足把式（2.14）和帶入上式，可求得把上式表示為標么值，并代入式（2.25），可以得到交、直軸電流分量與電磁轉矩的關系為 （2.39）反過來，此時的定子電流分量id*和iq*可表示為、電動機定子合成電流與電磁轉矩的關系曲線，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，獲得的電磁轉矩采用最大轉矩/電流控制時較大。圖7是采用不同的凸極率計算出的曲線，永磁同步電動機的凸極率直接影響電動機定子電流和電磁轉矩的關系，凸極率越大，磁阻轉矩部分就越大，直軸電流的貢獻增大。圖2.6

46、 最大轉矩/電流控制時PMSM定子電流與電磁轉矩關系曲線a交、直軸電流與電磁轉矩的關系 b定子電流與電磁轉矩的關系圖電流與轉矩的影響 圖因數(shù)與電磁轉矩的關系電動機最大轉矩/電流軌跡方程與電流圓交與A點（圖2.9），通過A點的電壓極限橢圓所對應的轉速為1。在最大轉矩/電流軌跡的OA段上，電動機可以以該軌跡上的個點恒轉矩運行，且通過該點的電壓極限橢圓所對應的轉速即為在轉矩下的轉折速度，而交點A對應于輸出轉矩最大時的轉矩速度。從圖上還可以看出，恒轉矩運行時的轉矩值越大，電動機的轉折速度就越低。由于電動機運行時電壓和電流步能超過各自的極限，故A點對應轉矩就是電動機可以輸出的最大轉矩，此時電動機的電壓和

47、電流均達到極限值。圖定子電流矢量軌跡聯(lián)立式（2.24）和式（2.38），可以得到電動機采用最大轉矩/電流控制且電流達到極限值時（即最大轉矩/電流軌跡與電流極限圓相交時）電動機的直、交軸電流為當電動機的端電壓和電流均達到極限值式，由上式和電壓方程可推導出此時電動機的轉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，控制算法簡單，電磁轉矩與定子電流成正比。其主要缺點是隨著輸出轉矩的增大，功率因數(shù)下降較快。另外，電磁轉矩中的磁阻轉矩部分未能利用，因而主要運用在對隱極永磁同步電動機的控制上。（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矩很小。（3）最大轉矩/電流控制策略可以是電動機輸出轉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器件的工作，減小了電機的銅耗。在該控制方法基礎上，還可以方便的加入弱磁控制方法，改善電動機恒功率運行時的輸出轉矩的性能。因此，這是一種比較式和永磁同步電動機的電流控制方法。但是，該方法的缺點是控制算法的開銷很大，普通的單片機的運算能力無法承擔，需要使用高速度的中央控制器。2.5 永磁同步電動機的弱磁控制2.5.1 永磁同步電動機弱磁控制的基本原理永磁同步電動機弱磁控制的思想來源于他勵直流電動機的調磁控制。根據電機學知識，他勵直流電動機的電磁關系方程如下：

49、式中，E直流電動機反電動勢；Ce直流電動機電勢系數(shù)；直流電動機每相磁通；U直流電動機定子電壓；Ia直流電動機電樞電流；Ra直流電動機電樞電阻；If直流電動機勵磁電流。從式(2.43中可以看出，當他勵直流電動機的端電壓達到極限電壓值時，要使電動機能繼續(xù)恒功率運行于更高的轉速，應設法降低電動機的勵磁電流，以保證電壓的平衡。換句話說，他勵直流電動機可以通過降低勵磁電流而弱磁擴速。與電勵磁的同步電動機不同，永磁同步電動機的勵磁磁動勢因由永磁體產生而無法調節(jié)，只有通過調節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運行時電壓的平衡，達到弱磁擴速的目的。永磁同步電動機電壓方程如下式從上式可以發(fā)現(xiàn)，當電動

50、機端電壓隨轉速升高到逆變器能夠輸出的最大電壓之后，若要繼續(xù)升高電機的速度，永磁同步電機將無法再作恒轉矩運行，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平衡，從而獲得一個新的調速范圍。措施1：對于可以進行電流相位控制的永磁同步電機，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、夠擴展電機恒轉矩調速范圍之外的調速范圍(即弱磁范圍，但它以犧牲恒轉矩調速范圍和輸出轉矩為代價。因此，其能力的大小對電機的總調速范圍沒有多大影響。相反，隨著這種能力的增大(Xq的增大，恒轉矩范圍變窄，弱磁范圍變寬，電機總的調速范圍會有所減小，電機的輸出轉矩特性會越來越軟。另外，由于電動機相電流也有一定的限制，增加直軸去磁電流分量而同時保證電樞電流不超過電流極限值，交軸電流的分量就相應減小。因此，一般是通過增加直軸去磁電流來實現(xiàn)弱磁。永磁同步電機弱磁時，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，就有可能獲得一個輸出恒定功率的調速范圍(

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時的直軸電樞反應去磁磁通能夠完全消弱磁通(指基波分量。這時電機在理論上可以在任意的高速下進行弱磁運行，并輸出基本恒定的功率。這一條件可表述為：式中，E0、Xd是電機在單位速度下的反電動勢和直軸電抗。電機能夠在寬廣的弱磁范圍內輸出盡可能大的功率的條件是Id=Ilim時的直軸電樞反應去磁磁通能夠正好抵消永磁通，或表述為:永磁同步電動機的弱磁擴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點對應的轉矩為Tem1，為電動機在轉速1時可輸出的最大轉矩(電壓和電流均達到了極限值，故1即為電動機最大恒轉矩運

53、行時的轉折速度。轉速進一步升高到2(2>1時，最大轉矩/電流軌跡與電壓極限圓相交于B點，對應的轉矩為Tem2(Tem2< Tem1，若此時定子電流矢量偏離最大轉矩/電流軌跡，由B電移至C點，則電動機可輸出更大的轉矩Tem1，從而提高了電動機超過轉折速度時的輸出功率。從圖上還可以看出，定子電流矢量從B點移至C點，直軸去磁電流分量增大，消弱了永磁體產生的氣隙磁場，達到了弱磁的目的。當電動機運行于某一轉速時，由電壓方程可得到弱磁控制時電流矢量軌跡由電壓方程（）可以得出轉速的表達式圖2.10 永磁同步電動機弱磁原理圖當電動機端電壓和電流達到最大值，電流全部為直軸電流分量，并且忽略定子電阻的

54、影響時，電動機可達到的理想最高轉速為2.5.2 最大輸入功率弱磁控制當電動機的普通弱磁控制達到轉折速度后，在增加電機轉速，必須降低電機的電流，從而今年入最大輸入功率弱磁控制，此時定子電流矢量沿著電壓極限橢圓軌跡取值。電動機超過某一轉速后，在任一給定轉速下，在電動機電壓軌跡橢圓軌跡上存在著一點，該點所表示的定子電流矢量使電動機輸入的功率最大，相應地輸出功率也最大。某轉速下輸入功率最大時定子電流矢量的求解過程如下：電動機運行于某轉速而輸入功率最大時應為 (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，可得電動機輸入最大功率時的定子直、交軸電壓式中2.5.3 永磁

55、同步電動機弱磁擴速能力的提高經推導得轉折速度與凸極率、弱磁率之間的關系為式中，其對應的曲線如圖所示。從圖中可以看出轉折速度和弱磁率、凸極率有明顯的關系。凸極率、弱磁率越大，轉折速度越低。由于最高轉速與凸極率無關，因此增加電動機的凸極率可明顯提高電動機的弱磁擴速能力。定義永磁同步電動機的擴速倍數(shù)為k K的具體表達式為顯然，弱磁擴速倍數(shù)表示的是永磁同步電動機在空載且不計電機各種損耗時的弱磁擴速能力。將式繪制成曲線，如圖所示。從如中可以看出，永磁同步電動機的弱磁擴速能力隨弱磁率的增加而提高，如果同時增加電動機的凸極率，則弱磁擴速能力會有更明顯的提高。圖轉折速度與、的關系 圖弱磁擴速倍數(shù)與、的關系2.

56、5.4 永磁同步電動機弱磁擴速困難原因分析上述永磁同步電動機的弱磁擴速都是從理論上進行分析的，實際上永磁同步電動機是難于弱磁擴速度的，原因就在于其磁路結構的特殊性。盡管永磁同步電機有多種多樣的轉子結構，但無論是并聯(lián)永磁路轉子還是串聯(lián)永磁路轉子，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都較電勵磁電機的小很多，并有Xd< ，其后果是，建立同樣大小的電樞反應氣隙磁場，永磁同步電機要求比電勵磁同步電機大得多的電負荷，而在正常的電負荷 ( 由熱負荷能力確定 下，永磁同步電機的交、直軸電樞反應微乎其微。如果永磁體提供正常的勵磁磁場 ( 由永

57、磁體的性能及定、轉子鐵心飽和磁密決定 ，則額定電流產生的直軸電樞反應磁通只能消弱永磁通的極小部分，即弱磁率太低。用電勢關系表述即為 : 所以，普通永磁同步電機不滿足產生寬廣恒功率弱磁調速范圍的條件式和式。式是普通永磁同步電機的固有特性，是弱磁難的原因。2.5.5 永磁同步電動機弱磁擴速方案由于永磁同步電動機的固有特性，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，將達不到很好的弱磁效果。本節(jié)從電動機本身出發(fā)，提出三種特殊轉子結構的永磁同步電動機，使其更利于弱磁擴速。(1 轉子復合式永磁同步電動機弱磁方案這種弱磁方案的定子結構與傳統(tǒng)的永磁同步電動機的定子結構相同，轉子采用復合式結構永磁段轉子+磁阻段轉子，兩者之間有間隙，以防止漏磁。其中永磁段是電機出力的主要部分，其設計思路基本上與傳統(tǒng)的永磁同步電動機相同；磁阻段是電機弱磁的主體部分。對于傳統(tǒng)的電激磁電機而言，弱磁控制是較容易實現(xiàn)的，但是對于永磁電機(如永磁同步電機而言，永磁體一旦裝在電機里就不能夠拆卸下來，而且它所產生的磁場大小是恒定的，這個時候要想弱磁只有利用電機的電樞反應:在高速時，通過電樞電流在電機中產生一個反向的磁場，部分或者完全抵消永磁場，從而實現(xiàn)高速下恒功率運行。為