（电气工程专业论文）电动汽车用永磁同步电机驱动系统的研究与实现.pdf

t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no nd r i v e ns y s t e mo fp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ra p p l i e do ne l e c t r i cv e h i c l e s b y z e n zhibozengz h i b o b e ( w u h a nt e x t i l eu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh u a n gs h o u d a oa n dp r o f e s s o rz h o ul a w u a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 噜久菩计又 日期：沙f f 年厶月讥日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 粕义日期：加l f 年4 月? 日 日期铷，年中月形日 硕一i ：学位论文 摘要 电动汽车以电能为能源，具有零排放低污染的突出优点，是当前能源短缺、 环境污染情况下诞生的新一代交通工具。而驱动电机及其驱动系统是电动汽车上 的核心部分，本文以电动汽车为出发点，对其所用电机驱动系统进行了研究。 本文首先对电动汽车的各种驱动电机进性了性能上的分析与比较，选择内置 式永磁同步电机作为电动汽车的驱动电机。分析了内置式永磁同步电机的数学模 型，从工业应用角度出发提出了最大转矩电流控制的曲线模拟化控制，提高了系 统运行效率。通过与传统最大转矩电流控制的方案的仿真实验比较，验证了本文 所提方案的正确性与可行性。 其次本文针对电动汽车对电机驱动系统的宽调速范围的特殊要求，提出了超 前角弱磁控制方案，并就电机参数对整个弱磁控制性能的影响进行了理论上的分 析。通过构建一个新的电压指数外环，实时检测电机端对直流母线电压的利用率， 成功实现弱磁模式下定子电流分量的再次分配。仿真实验结果表明，该弱磁控制 方案弱磁过渡平滑且具有高倍弱磁扩速能力。 此外本文针对电动汽车的复杂运行工况，提出了基于模糊p i d 控制器的矢量 控制方案，并与传统p i d 控制进行了大量仿真实验比较。结果表明模糊p i d 控制 器的使用使得系统超调小，动态响应速度快，抗干扰能力强，适合复杂的运行工 况。 最后本文将最大转矩电流控制的曲线模拟控制方案与超前角弱磁控制方案 有机结合，介绍了系统软件设计方案与相关流程，并将其应用于以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主控芯片的控制平台。以实验机组为基础，进行了不同负载情况下的动态响应 能力、抗干扰能力以及宽调速范围的相关实验，实验结果与分析表明本文所提方 案的有效性与工业应用能力。 关键词：电动汽车；永磁电机；最大转矩电流控制；弱磁控制；模糊p i d u a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n ge n e r g ys h o r t a g ea n d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n e l e c t r i c v e h i c l e sd r i v e db ye l e c t r i cp o w e ri san e wg e n e r a t i o no ft r a n s p o r tf o r t h eg r e a tm e r i t s o fz e r op o l l u t i o ne m i s s i o n s a n dt h ed r i v e nm o t o ra n di t sd r i v e ns y s t e ma r et h ec o r e o fe l e e t r i ev e h i c l e s t h i sp a p e ra i m sa tt h ed r i v e ns y s t e mo f e l e c t r i cv e h i c l e s f i r s t l y ，t h r o u g hav a r i e t yo fa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no f t h ep e r f o r m a n c eo fa l l k i n d so fm o t o r s ，t h ei n t e r i o rp e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ( i p m s m ) i sc h o o s e df o rd r i v e n m o t o ro fe l e c t r i cv e h i c l e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi p m s m i sa n a l y z e da n dt h e n c u r v e s i m u l a t e dc o n t r o lo ft h em a x i m u mt o r q u ep e ra m p e r e ( m t p a c ) i sp r o p o s e d f r o mt h ep e r s p e e t i v eo fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e dt h ee f f i c i e n c y o ft h es v s t e m c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep r o p o s e dm e t h o di nt h i sp a p e r w i t ht h et r a d i t i o n a lm t p a c ，t h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o di s v e r i f i e d f o rt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fw i d es p e e dr a n g eo fe l e c t r i cv e h i c l e ，t h i sp a p e r p r e s e n t saf l u x w e a k e n i n gc o n t r o lb a s e do nl e a d i n ga n g l e ，a n di n f l u e n c eo fm o t o r 。 p a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n c eo ff l u x w e a k e n i n g c o n t r o li st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d b vc o n s t r u c t i n gan e wv o l t a g eo u t e rl o o pt od e t e c tt h ev o l t a g e su t i l i z a t i o no nt h ed c b u s v o l t a g e ，s t a t o r c u r r e n tc o m p o n e n t u n d e rt h ef l u x w e a k e n i n gc o n t r o l c a n r e d i s t r i b u t es u c c e s s f u l l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e df l u x w e a k e n i n g c o n t l ? o lm e t h o dc a no b t a i nas m o o t ht r a n s i t i o na n dh i g ht i m e so f r a t e ds p e e d m o r e o v e r d u et ot h ec o m p l e xo p e r a t i n gc o n d i t i o n s o fe l e c t r i cv e h i c l e s ，t h i s p a p e rp r o p o s e sav e c t o rc o n t r o lb a s e do nf u z z yp i d c o n t r o l l e r a n dal a r g en u m b e ro f s i m u l a t i o n so ft h ep r o p o s e dm e t h o da n dt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la r ec o m p a r a t i v e l y a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w t h a tf u z z yp i dc o n t r o l l e rc a no b t a i ns m a l lo v e r s h o o t ，f a s t r e s p o n s et i m e ，g r e a ta n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , a n d i sm o r es u i t a b l ef o rc o m p l e x o p e r a t i n gc o n d i t i o n s f i n a l l y , c u r v e s i m u l a t e d m t p a ca n daf l u x w e a k e n i n gc o n t r o lb a s e d o n l e a d i n ga n g l ea r ec o m b i n e di n t h i sp a p e ra n ds y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n dr e l a t e d p r o c e s sa r ei n t r o d u c e d ，w h i c ha r ea p p l i e do nt h ec o n t r o lp l a t f o r mb a s e do nc h i po f t m s 3 2 0 f 2 812 s y s t e md y n a m i cr e s p o n s e ，a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y a n dw i d es p e e d r a n g ea r eo b t a i n e db ye x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s ，a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s s h o wt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o di ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s i i i 硕士学位论文 k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ；p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ；m a x i m u mt o r q u e | c u r r e n t c o n t r o l ；f l u x w e a k e n i n gc o n t r o l ；f u z z yp i dc o n t r o l l e r i v 电动汽车用水磁同步电机驱动系统的研究与实现 目录 学位论文原创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘 要1 i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景与意义1 1 2 国内外电动汽车发展现状与趋势2 1 3 电动汽车驱动系统所用各种电机性能比较3 1 4 本文主要研究内容j 。6 第2 章永磁同步电机m t p a c 的曲线模拟控制8 2 1 永磁同步电机数学模型8 2 2 传统最大转矩电流控制11 2 3 最大转矩电流控制的曲线模拟控制1 3 2 3 1 最小二乘法的原理与应用1 5 2 3 2 最大转矩电流控制的曲线拟合1 6 2 4 仿真分析18 2 4 1m t p a c 曲线模拟控制仿真分析1 9 2 4 2 传统最大转矩电流控制仿真分析：2 2 2 5 本章小结2 4 第3 章永磁同步电机弱磁控制的理论分析与研究2 5 3 1 弱磁控制原理一2 5 3 2 电机参数对弱磁控制的影响。2 7 3 3i p m s m 超前角弱磁控制的理论分析一2 9 3 3 1 超前角弱磁控制理论2 9 3 3 2 超前角弱磁原理框图设计3 1 3 4 仿真分析3 2 3 5 本章小结3 7 第4 章永磁同步电机模糊p i d 控制算法的研究3 8 4 1 模糊控制原理3 8 4 2 模糊控制器的设计3 9 4 2 1 控制器结构3 9 4 2 2 模糊接口的设计3 9 4 2 3 模糊控制规则的设计3 9 v 硕：卜学位论文 4 2 4 去模糊化设计4 0 4 3 基于模糊p i d 控制器的闭环系统仿真模型4 l 4 4 本章小结4 3 第5 章系统软件设计及其实验结果分析4 5 5 1 系统软件设计：4 5 5 1 1 系统程序结构设计4 5 5 1 2 初始化程序设计4 5 5 2 中断程序设计4 6 5 2 1 主中断程序设计4 6 5 2 21 m s 通讯中断程序设计4 7 5 3 实验结果及其分析4 8 5 3 1 实验平台4 8 5 3 2 实验结果与分析4 9 5 4 本章小结5 2 结论5 3 参考文献。5 5 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 9 附录b攻读学位期间参加的科研项目一6 0 至；【谢6 1 v i 硕七学位论文 1 1 课题背景与意义 第1 章绪论 通过现代电力电子技术实现电能变换是现阶段各国普遍采用的方式。当今世 界环境保护问题日趋严重，应用高频电力电子技术可以使电气设备重量减轻、体 积变小，节省大量铜、钢等原材料。广泛采用电力电子技术以后，还可以节省大 量的电力，这就可以节约大量资源和一次能源，从而改善人类的生活环境【1 。2 1 。 汽车自诞生以来，其发展速度越来越快，人们对它的需求也越来越旺盛。随 着近年科学与经济的快速发展，汽车工业已经成为我国国民经济发展与快速提升 的支柱产业之一。然而传统汽车都依靠燃油为其提供动力支持，与此同时汽车对 燃油的大量使用也带来了空气质量的严重恶化、温室效应的加剧以及石油资源的 日益缺乏。汽车的快速发展时刻面临着环境、安全与能源等三大主题的制约。同 时汽车行业的负面影响迫使人们寻找新的动力源泉，因此汽车的高环保、低能耗 和低排放甚已成了当前汽车行业的研究热点【3 】。 世界各国政府及其科研工作人员至始至终都在不停地探索克服三大主题制约 的新途径，一方面要尽量降低汽车污染物的排放，另一方面要不断推进清洁技术 的开发和加大其在汽车行业的应用范围。目前，研究人员已经取得了很大的进展， 各种低污染物排放的汽车频频出现人们的视野中，如电动汽车、清洁燃料汽车等 一系列新能源汽车。电动汽车由于它以电力为动力，不仅可以解决石油日渐枯竭 的问题，而且具有低排放甚至零排放、低噪声和节能等一系列优点，因此受到世 界各国的欢迎。电动汽车作为2 1 世纪绿色文化下的清洁、节能的绿色交通工具， 它具有得天独厚的优势，是唯一可以做到低排放甚至“零排放”的车辆。电动汽车 具有污染小，热辐射低，噪声小、不消耗燃油和安全系数高的优点，同时系统结 构简单，使用方便，因而受到世界各国人民的欢迎【4 。5 】。 然而就目前调查显示我国因机动车排放而引起的环境污染日趋严重，使得空 气质量越来越差，温室效应日趋明显，同时使人们生活的舒适度大打折扣。电动 汽车的使用和发展不仅可以降低空气污染的程度，而且可以缩短我国与其他国家 在汽车工业领域的差距，此外还可以带动一系列相关产业及核心技术的发展，从 而从整体上增强我国与周边发达国家之间的竞争优势。因而在“八五”期间，国家 科委、计委组织与开导了关于电动汽车开发及有关关键技术的攻关工作；“九五” 期间，国家科委再次将电动汽车列为“九五”重大科技产业工程项目并予以实施， 同时还制订了电动汽车的发展目标；“十五”期间，国家特别启动了“8 6 3 计划电动 电动汽车用永磁同步电机驱动系统的研究与实现 汽车重大专项”，并制定了电动汽车的更进一步的发展目标。2 0 0 8 年“绿色奥运” 的承诺，更是给我国电动汽车的开发研制带来了无穷的激励与信心。经过企业与 各科研院校的联合攻关，我国已经在燃料电池发动机、动力蓄电池、车用电机、 多能源动力总成控制以及辅助动力系统等核心技术领域取得了重大突破。同时电 动汽车被划为是我国自主知识权的获得、新兴产业经济群体形成的战略领域之一。 众所周知电动汽车的关键问题是一次充电的续驶里程，在车载蓄电池技术虽 然取得一定的成就但暂时没有得到突破的情况下，电动汽车的核心部件驱动系统 是实现汽车的基本性能和解决一次性续航能力差的至关重要因素。因此系统地研 究并开发出高效率、高可靠性的电机驱动系统，对提高我国电动汽车驱动系统的 性能、增强汽车行业在全球的竞争能力以及电动汽车的实用化和产业化都具有重 要意义。 1 2 国内外电动汽车发展现状与趋势 从国外的发展情况来看，电动汽车大概有这样几个特点。第一，混合动力汽 车已经开始大规模产业化，插电式混合动力汽车越来越受到市场的重视；第二，纯 电动汽车也开始进入市场并有着快速增长的趋势。丰田公司提出的混合动力汽车 的第一个系列是普瑞斯，然而现在已经发展到了第三代。现在日本丰田提出第三 代普瑞斯是插电式的，纯电力里程是2 4 3 公里，这个是怎么来的呢? 这主要是日 本调研公司的调查结果，认为在日本上班人员中平均历程是2 4 3 公里，于是他们 确定了这个数字。此外，他们也在开发其他系列的车。另外，从美国通用公司来 说，他们除了混合动力车之外，现在主推插电式的混合动力汽车。在目前混合动 力汽车里面续航能力最长的车型是福特的r e v ，这个车比较有特点，续航里程是 6 4 公里，是怎么来的呢? 美国通用汽车委托调查公司调查，调查发现美国人上班 行驶里程小于6 4 公里，并且6 4 公里可以覆盖6 8 的驾车上下面的人群，所以把这 个定为6 4 公里，相当于4 0 英里【7 1 。此外在混合动力公交车方面国外也有动作，在 美国的西雅图有混合动力的公交车，国内伊顿公司也有这方面动作。在国外一些 著名的公司，包括大众、宝马、奔驰都有混合动力汽车，当然有些并没有上市， 只是样车。 另外就是纯电动，丰田公司开发电动车非常早，但是后期开发的纯电动车并 不多，日本的纯电动汽车有一个特点，和中国最大不同在哪呢? 它的整车厂和电 动厂是紧密联合，基本上是以相互参股的方式开发动力电池，而且他们的电池是 以锰酸铝为主，而我们是磷酸铁铝为主，因为他们整合了电池厂的资源，所以他 们比我们有天然的优势，因为他整合了电池研发企业和电池厂的资源。在国外低 速纯电动车也被广泛接受，在美国和日本据说一家韩国公司向日本出口过3 0 0 0 多 辆低速纯电动汽车。在美国市场有三款插电式混合动力汽车，混合动力有1 6 款已 2 硕士学位论文 经上市，燃气发动机油7 款，1 0 0 燃烧氢气的是4 款，双燃料的是4 款，纯电动低速 车和社区汽车游2 4 款i7 。 在国内，政府也很重视新能源汽车的发展。科技部的8 6 3 项目专项，实际上是 3 个系列，燃料电池、混合动力、纯电动，还有关键零部件。电动车里面最关键的 技术有待于动力电池的突破。目前我们国家跟国外在动汽车方面的差异，比如说 现在日本的几个车型，他们续航里程也定义在1 5 0 公里左右，实际上我们国家的电 动汽车也在这个范围之内。我们国家在研发的时候，有些指标定的还是比较高， 有的甚至超过2 0 0 公里，但是实际上达到1 5 0 公里的续航里程，应该说搞电动汽车 研发的每个单位都可以做到，这个还有赖于电池技术进一步提高来延长续航里程。 根据研究，现在的电池技术比能量可以提高一倍，替代传统汽车进入市场的条件 就已经成熟，如果提高n 3 倍，在中国取代传统汽车就没有特别多的问题了。这些 指标大概就是经过十五和十一五提出来的。我们国家在关键部件，包括电机、附 件方面都有非常大的进步，现在基本上已经形成了相对完整的产业链，我国纯电 动汽车产业化的条件已经基本上成熟。从现实角度来看，低速电动汽车是推动我 国电动汽车产业化、开启电动汽车消费市场的最佳产品：从长远发展来看，可以通 过低速电动汽车技术的提升来解决高端电动汽车的核心技术。 1 3 电动汽车驱动系统所用各种电机性能比较 就目前来说，电池容量一般都较小，这就致使电动汽车的续航能力受到了很 大的限制，使其应用的普遍性被打了很大的折扣。为了在既有的电池条件下使电 池的续驶能力尽可能得到提高，驱动系统中所用电机的效率成了至关重要的因素。 目前应用于电动汽车中的电机主要有直流电机、感应电机、开关磁阻电机和永磁 同步电机。 ( 1 ) 直流电机驱动系统 在电力驱动方面，直流电不仅机调速方便，而且其转矩输出可以通过改变电 压或电流的输入便可以实现独立控制，从而进行平滑调速，使整个控制系统具有 良好的动态特性和调速特性，除此之外还有成本低、技术成熟等优点。所以在早 期的公共运输汽车上多采用直流电机。然而，直流电机也存在必然的不足之处， 比如说绝对密度相对较低、体积与质量较大。同时由于电刷和机械换向器的使用， 一方面限制了电机本身的过载能力与速度的进一步提高，另一方面也将加大碳刷 与换向器的维修工作。此外，在转子上也存在损耗，这样就加剧了电机的散热困 难，温度的上升必然限制了电机转矩重量比的进一步提升，所以在新研制的电动 汽车上应用越来越少【8 1 0 】。 ( 2 ) 感应电机驱动系统 感应电机由于具有结构简单，可靠性高，易于维修等优点在市场上得到了广 电动汽车用永磁州步电机驱动系统的研究与实现 泛的应用与推广。目前在市场上所有的中小型电机中约占7 5 。这种感应电机与 同等级的直流电动机相比，体积可减小一半；另外，矢量控制的发展也是其具有 了类似直流电动机的优良特性。但是感应电动机也存在一些不足，例如损耗高， 需要对电机不停地进行冷却，效率比永磁同步电机、开关磁阻电动机低，功率因 数也比永磁无刷电动机低，对于高速度、大功率电机需要用大功率变换器，恒功 率区域较小等等，这都对感应电机在电动汽车中的应受到一定的影响【1 1 - 1 5 。 ( 3 ) 开关磁阻电机驱动系统 开关磁阻电机( s r d ) 是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类 调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极 调速系统。它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范 围内都具有较高效率，系统可靠性高。主要有开关磁阻电机、功率变换器、 控制器与位置检测器四部分组成。控制器内包含控制电路与功率变换器，而 转子位置检测器则安装在电机的一端。近年来，开关磁阻电机的应用和发展 取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺 织机械等各个领域，功率范围从lo w 到5 m w ，最大速度高达l0 0 0 0 0r m i n 。 开关磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动摩托车和电动白行车的 驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其 独特的优势。当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首 选对象。s r d 开关磁阻电机驱动系统的电机结构紧凑牢固，适合于高速运行， 并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高， 而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使s r d 开关磁阻电机驱动系统很 适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。s r d 的最 大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率 偏低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。 因此无传感器的s r d 也是未来的发展趋势之一。但开关磁阻电机目前在电动汽 车中并没有得到广泛应用，主要原因在于其力矩波动及电机噪音过大、控制方法 还不够成熟l i 扣埔】。 ( 4 ) 永磁同步电机驱动系统 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机 相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需 要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电 阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、 起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提 高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的 调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。 4 硕l 学位论文 我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富， 稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4 倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材 料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁 同步电动机有很好的应用前景。 永磁同步电机驱动系统不仅在控制方式上可实现数字化，而且在结构上也可 实现电机与齿轮箱的一体化。在各种电动汽车驱动系统中，永磁同步电动机被列 为主要发展方向之一【1 9 抛】。 表1 1各驱动电机的性能比较 表1 1 清楚地表述了电动汽车所用驱动系统的综合性能，从表1 1 中可以看出， 永磁同步电机在功率密度、效率等性能方面均明显优于异步电机。随着新型永磁 材料的不断开发，永磁材料的成本有望降低，永磁电机的价格也会有所下降，从 而能有比异步电机更高的性价比。 综合比较，永磁同步电机的优势适合于电动汽车，近期仍将是电动汽车驱动 系统种的主流电机，主要有以下几点【2 3 彩】： ( 1 ) 体积小，重量轻，转动惯量小以及功率密度高( 可达l k w k g ) 等优点适合 于电动汽车空间有限的特点。 ( 2 ) 高效率，高功率因数。基速以下运行无需励磁电流，可提高系统运行功 率因数，减小定子电流，降低定子铜耗与电机温升。 ( 3 ) 低转速时输出转矩大，此外转矩惯量比大，过载能力强，适用于汽车的 起动加速。 ( 4 ) 我国永磁材料丰富，已经开发出高剩磁密度和高矫顽力的永磁材料。 电动汽车用水磁同步电机驱动系统的研究j 实现 1 4 本文主要研究内容 内置式永磁同步电机( i p m s m ) 以其高效率、高功率密度、高转矩密度、较 宽的调速范围以及磁阻转矩的可利用性，使其在电动汽车这一系列新能源汽车的 驱动系统上得到广泛应用。 本文主要针对电动汽车的复杂工况所要求的高效率、宽调速范围，提出了简 单实用的矢量控制方案。在额定转速以下，本文避开了传统的i d = 0 控制方案中没 有利用好磁阻转矩的问题，而是从工业应用角度出发，提出了最大转矩电流控的 曲线模拟控制方案，使整个控制算法得以简化，同时又充分利用内置式永磁同步 电机的磁阻转矩，提高了驱动控制系统的运行效率。在额定转速以上使用超前角 弱磁控制，对最大转矩电流控制算法分配出来的d 、q 轴电流进行再次分配，从而 获得更高的运行转速，拓宽了整个控制系统的运行范围。同时考虑到电动汽车的 复杂工况和负载频繁变化的特殊情况，本文采用了先进的模糊p i 自整定控制其取 代了传统的p i 调节器，增强了整个控制系统的抗干扰能力与鲁棒性。本文具体所 包含内容为： 一 第1 章概述本课题的研究背景与意义，介绍了当前国内外电动汽车的发展现状 与前景，比较了电动汽车运行过程中电机驱动系统中不同电机的性能与优劣情况， 最后综合各种因素以及目前市场汽车公司的使用情况，选择了内置式永磁同步电 机作为驱动系统的驱动电机。 第2 章从内置式永磁同步电机的数学模型入手，得知整个电磁转矩中磁阻转矩 的重要性，分析了传统最大转矩电流控制方案查表法的优势与不足，从而提出了 改进型的最大转矩电流控制的曲线模拟控制。首先将转速环的输出作为电磁转矩 的给定，通过二分法寻找到电磁转矩对应的i d 、i q 最优解，从而得到t e 与i d 的曲 线图，最后利用最小二乘法将其模拟成3 段连续的曲线，曲线函数最高次数为2 ， 这样不仅实现了对内置式永磁同步电机的最大转矩电流控制，而且降低了电磁转 矩与定子电流分量间的复杂度。为验证该方案的正确性与有效性，对其进行了相 关的仿真实验分析。 第3 章针对电动汽车所用电机宽调速范围的特殊要求，从理论上对弱磁控制以 及电动机参数对弱磁控制的整体性能的影响作了详细分析。提出了超前角弱磁控 制方案，将直流侧电压作为电压外环给定，通过考察电机运行过程中系统对变流 器直流母线输入端直流电压的利用率来控制超前相位角的大小，从而成功实现定 子电流各分轴电流的再次分配，最终使电动汽车所用驱动系统的宽调速范围这一 问题得到解决。最后为验证该方案的正确性，对其进行了仿真分析。 第4 章为了解决电动汽车负载多变性给驱动系统带来的转速频繁波动这一问 题，提出了模糊自整定p i 控制方案。详细分析了模糊控制理论，推导了理论的正 6 硕士学位论文 确性，同时对模糊控制器的构造进行整体上的分析与设计。最后将其取代传统的 转速环p i 调节器并对其进行了闭环仿真控制。 第5 章对整个系统的软件控制进行了具体的流程分析，并将本文提出的最大转 矩电流控制与超前角弱磁控制方案离散化后注入实际的操作系统中。最后在以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主控芯片的控制系统中得到应用，并对整个控制系统进行 了相关的实验验证与分析。 7 究与实现 的曲线模拟控制 总体上可将他们归类为两种控 分利用磁阻转矩和提高系统控 制效率，提出了许多控制策略，例如线性化控制，单位功率因素控制，直接转矩 控制，最大转矩电流控隹j j ( m t p a c ) ，最大效率控制，其中用的最多的是最大转矩 电流控制。目前最大转矩电流控制方法有查表法，线性简化法。查表法实现了 系统电流的最大利用率，但运行速度较慢，严重影响着系统的动态性能，其控制 精度受表中数据量大小的影响。本文提出最大转矩电流控制的曲线模拟控制方 案，不仅充分利用了i p m s m 的磁阻转矩，而且运算简单对参数依赖也较小。 2 1 永磁同步电机数学模型 对于一般的三相交流电动机，由坐标变换原理可知，把三相交流绕组等效成 旋转的两相相互垂直的直流绕组，变换后使得系统变量之间得到部分解耦，从而 使系统分析与控制得到大量简化。对于正弦波永磁同步电机，最常用的方法为同 步旋转的d 、q 轴数学模型，它不仅可以用于分析正弦波永磁同步电机的稳态运行 性能，还可以用于分析电机的瞬时性能。 为了建立正确的永磁同步电动机的d 、q 轴数学模型，首先必须假设【8 】： ( 1 ) 不计电动机的磁滞以及涡流的影响； ( 2 ) 三相绕组是完全对称的，在空间上互差1 2 0 0 且不计边缘效应； ( 3 ) 忽略齿槽效应，同时忽略高次谐波的影响，定子电流在气隙中只产生正 弦分布的磁动势； ( 4 ) 不计电动机的铁心饱和。 基于以上假设变可以得到交流永磁同步电动机的数学模型【9 。12 1 。 电压方程： 圹警一国+ 墨岛 铲誓一啦 。) o = 誓吨匕 。= 警地 8 硕士学位论文 磁链方程： 电磁转矩： 机械运动方程： 妒d = l 0 d + l 0 2 d + l i d i r = 厶+ 厶d 之。 y 2 d = 厶d 屯d + 柑+ 二柑f ， g = 厶g 如叮+ 厶，耐 乙= p ( y d 一y ，屯) ( 2 2 ) ( 2 3 ) - ，鲁= 乙一瓦喝q ( 2 4 ) 式中， 甜一电压； f 一电流； 杪一磁链； 以9 一下标，分别表示定子电流的么g 轴分量； 2 d 、2 9 一下标，分别表示转子电流的以g 轴分量； k 、三聊一定、转子间d 、g 轴互感； l d 、厶一定子绕组d 、g 轴电感；l d = j ，d + 厶，l q = 三啷+ 厶； 厶d 、厶。一转子绕组d 、g 轴电感，厶d = k + 厶，三：。= + 厶； 厶、厶一定、转子漏电感； f ，一永磁体的等效励磁电流( a ) ，如果不考虑温度对永磁体的影响，其值为一 常数，f ，= 沙r k ； y ，一永磁体产生的磁链，可由少，= e o w 求取，为空载反电动势，其值为每 相绕组反电动势有效值的3 倍，即e o = 3 扇； ，一转动惯量( 包括转子转动惯量和负载机械折算过来的转动惯量) ； 咫一阻力系数； 正一负载转矩； 在绝大多数正弦波调速永磁电动机中转子上是不存在阻尼绕组的，电动机的 电压、磁链方程便可得到相应简化： 9 i 乜动汽乍用水磁同步电机驱动系统的研究与实现 电磁转矩方程： 圹誓一缈+ 墨屯 = 誓+ 功嘲 l ；，d = l d i d 4 - l 0 r = 厶 ( 2 5 ) 乙= p ( 一) = p 【耐j i r + ( 厶一厶) 屯】 ( 2 6 ) 由电磁转矩表达式可以看出，永磁同步电动机的输出转矩中有两部分组成。 一部分是由永磁体产生的永磁转矩，另一部分是由于电机凸极性，也就是转子不 对称所造成的磁阻转矩。这一特点是内置式永磁同步电动机所特有的，而在表面 式永磁同步电机中仅仅只有永磁体转矩分量。因此，为了充分利用转子磁路结构 不对称所造成的磁阻转矩来提高电机运行效率，应使永磁电机的定子直轴电流乙 为负值。 在稳态情况下，考虑、乞为常值，式( 2 5 ) 可转化为： l 蚴2 一回4 - ，1 、 iz 白= c o ( 厶屯+ 二喇f ，) + 墨 电动状态时，电磁转矩既会运行在第二象限也会运行在第三象限，将它们放 在同一个坐标系下，便会发现某指令值的恒转矩轨迹上的任何一点所对应的定子 电流矢量均导致相同的电动机转矩，这就牵涉到了寻求一个幅值最小的定子电流 矢量的问题，因为定子电流越小，电机的效率越高，所需逆变器的容量也越低。 图2 1永磁同步电机恒转矩曲线 1 0 硕十学位论文 在图2 1 中，不难发现对于某一指令值的恒转矩曲线，该曲线上距离坐标原 点最近的点即为产生该电磁转矩时所需要的最小电流空间矢量，把多条不同转矩 指令值所对应的最小电流点连接起来便形成了最大转矩电流曲线轨迹。内置式永 磁同步电机的最大转矩电流曲线是关于定子电流d 轴分量对称的一条曲线，且在 坐标原点处与q 轴相切，在第二象限和第三象限内均以斜率为4 5 度的直线为渐近 线。这清楚地反映了d 、q 轴电感不相等的内置式永磁同步电动机的转矩特性，因 为q 轴代表永磁转矩，恒转矩曲线上各点是永磁转矩和磁阻转矩的合成。当转矩 较小时，最大转矩电流轨迹靠近q 轴，说明永磁转矩起主要作用。当转矩增大时， 与电流平方成正比的磁阻转矩要比与电流呈线性关系的用磁转矩增加得更快，故 最大转矩电流轨迹越来越偏离q 轴。从而有最大转矩电流曲线上离原点越远的 点所对应的磁阻转矩也越大，此时便能更清楚地看出磁阻转矩对电磁转矩的合成 作用，使相同负载转矩的情况下所需电流最小。 2 2 传统最大转矩电流控制 最大转矩电流控制主要是运行在额定转速以下即恒转矩区域，在电机负载转 矩一定的条件下，使定子电流最小的电机控制方法，也称作单位电流输出最大转 矩的控制。凸极永磁同步电动机用得较多的一种电流控制策略就是最大转矩电流 控制，然而对于隐极永磁同步电动机，最大转矩电流控制就是= 0 控制i ”o 4 1 。 最大转矩电流控制的控制算法是根据电动机的电磁转矩方程，在满足定子电流的 条件极值条件下计算出电流分量值。 采用最大转矩电流控制时，电动机的电流矢量应满足： 曼坠塑：o a i d 望坠塑：o o 把式( 2 6 ) 和= 再i 代入上式，从而可求得： b 2二丝届i 研一吁_ 厉了i ；丽 2 ( 厶一厶) 2 ( p 一1 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中，p 一电动机的凸极率，夕= l q 厶 在( 2 9 ) 式中分别令如= 一( 岛一k ) ，死= p 甲，i 6 ，并对其进行标幺化便可以得： 电动汽下用水磁同步i u 机驱动系统的研究j 实现 罐2 厢 他 巧= 专圳瓜而 由式( 2 1 0 ) 可知，对于给定的电磁转矩对应的定子电流分量i 二和可表示为： 弦石( 艺) ( 2 l = a ( t l ) 由矢量控制系统知识得知，在转速闭环控制中转速环的输出为电磁转矩给定 值，然而由式( 2 1 1 ) 可以看出，虽然电机定子电流的d 、q 轴分量i d 、i q 均为电 磁转矩给定值t e 的函数，从某种意义上说，i d 、i q 电流值的获得完全可以由其变 量电磁转矩t e 的取值获得对应的函数值。然而它们之间并非线性关系，同时由于 当前芯片计算能力的局限性，很难直接通过电磁转矩的给定值而求出d 、q 轴的电 流分量值，这就迫使我们必须通过其它方式对定子电流分量与电磁