（电力电子与电力传动专业论文）电动汽车永磁同步电动机及其控制器研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 曼! ! ! ! ! ! ! ，! ! ! ，蔓! ! ! ，一i 一i _ _ 一 a b s t r a c t s i n c e1 9 9 0 s ，i no r d e rt oa l l e v i a t et h ep r e s s u r e so ft h ee n e r g ya n de n v i r o n m e n ti n h u m a nl i r ea n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，c o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l dh a v ei n v e s t e dal a r g e n u m b e ro ff u n d si nt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) i nj a p a n ，u s a ，f r a n c e a n do t h e rc o u n t r i e s ，s o m ec o m m e r c i a l i z a t i o no fe vh a sb e e nd e v e l o p e d i nt h ep e r i o do f ：t e n t hf i v e y e a r ”，n a t i o n a ls p e c i a lp r o j e c to fm a j o rs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a l e s t a b l i s ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ef u e le e l lv e h i c l e ( f c v ) h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ( h e v ) ，p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ( p e v ) ，a sw e l la sp o w e rt r a i nc o n t r o l ，d r i v em o t o r ， p o w e rb a t t e r i e sa n df u e lc e l l sa n do t h e rr e l a t e dk e yp a r t s c o m p a r e dw i t ho t h e rd r i v em o t o r ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rh a sh i g h e f f i c i e n c y ，h i g hp o w e rd e n s i t ya n dg o o dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s i th a sr e c e i v e dg e n e r a l a t t e n t i o na n di n c r e a s i n g l yb e i n gu s e di ne vd r i v ed e v i c e i nt h i sp a p e r ，f i xa ni n d i a n c o m p a n ys m a l le l e c t r i cv e h i c l ed r i v i n gp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) a n di t sc o n t r o l l e ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，ar a t h e rd e e p l ys t u d yi np m s m b o d ya n di t s c o n t r o l l e rh a r d w a r e d e s i g n e da n dp r o d u c e de x p e r i m e n t a l p r o t o t y p ep m s ma n d c o n t r o l l e rb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p ，i n i t i a lp i l o ts t u d yb e e nc a r r i e do u to nt h i s b a s i s a tf i r s t ，t h i s p a p e rc o m p a r e s t h ef e a t u r e so fe vd r i v em o t o rw h i c hc u r r e n t c o m m o n l yu s e da n ds u m m a r i z e dp o w e re l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n si na u t o m o t i v ed r i v e s e c o n d l y , a n a l y s e st h ei m p a c to fp m s ma i r - g a p m a g n e t i cf i e l do nm o t o rp e r f o r m a n c e f o re vd r i v em o t o rc h a r a c t e r i s t i c s ，at - s h a p e d r o t o rp m s mh a sb e e nd e s i g n e d ，i tn o to n l ym a k e st h ea i r - g a pm a g n e t i cf i e l dc l o s et o s i n u s o i d ，s i m u l t a n e o u s l ys o l v et h ep r o b l e mo fm a g n e tf i x e da tah i i g hs p e e d t h i r d l y , p r o d u c e dp m s mv e c t o rc o n t r o l l e rb a s e do nt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa n di p m m o d u l e s ，t h ee x p e r i m e n t so fc o n t r o l l e rd r i v e sab r u s h l e s sd cm o t o r1 0 a dt e s ta n dd r i v e s ap m s mn o l o a dt e s th a sb e e nd o n e f i n a l l y , a n a l y s e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e p m s mv e c t o rc o n t r o la n dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fp m s md r i v e nb ys v p w mh a sb e e n e s t a b l i s h e d s i m u l a t e dt h ei d = 0v e c t o rc o n t r o ls y s t e m ，s t u d yt h ee f f e c to fp m s m p a r a m e t e r so nt h es y s t e md y n a m i cr e s p o n s e k e y w o r d s ：e v , t - s h a p e dr o t o rp m s m ，d s p , c o n t r o l l e r , v e c t o rc o n t r o l i i 溯办二案大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：干b 卫至日期：2 矽年6 月，2 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，即：学校有权保留 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 权湖北工业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。 学位论文作者签名：寸为2 锋 指导教师签名： 日期参哆年月一日 日期：d ? 年6 月l 乙日 枷牛静i 于 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电动汽车驱动电机发展现状综述 现代电动汽车主要分为为三类：纯电动汽车( p e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、 燃料电池电动汽车( f c e v ) 。电动汽车的关键技术之一是驱动电机及其电机控制 系统，它的选择直接关系到电动汽车的性能及开发过程中的难度。驱动电动机种 类较多，用途很广泛，功率的覆盖面也很大，而电动汽车所采用的驱动电机与普 通工业用电机不同的性能要求。电动汽车用电机的主要性能指标有：效率、功率 密度、过载能力、质量、尺寸、可靠性和成本等，另外驱动电机采用的控制系统 和控制方法也将影响到其性能表现。一般电动汽车上的驱动电机应该满足下面几 个方面的基本性能要求： 1 ) 在较的宽速度范围内保持高效率，低损耗，并且能以再生制动运行方式 实现减速及下坡时制动能量的回收。 2 ) 质量轻，体积小，高功率密度，有利于整车驱动系统的布局及减轻汽车 的自重，节省空间，降低自重带来的能耗。 3 ) 高速时，过载能力强，并有较好动态速度响应，有宽的速度调节范围。 汽车起步和爬坡时具有低速大转矩输出，即恒转矩输出；汽车高速时有高速行驶 时能高速低转矩的特性输出，即电动机保持恒功率输出。 4 ) 成本低，可靠性好，噪声较小，结构坚固且易于维护，这样才能降低整 个的成本，并提高电动汽车的安全性能，有利于电动汽车的市场化。 5 ) 驱动电机所采用的控制系统器件，如d s p 、逆变器，开关器件等成本低， 控制方法成熟实用，控制性能好，从而有利于降低开发成本，缩短开发周期并提 高整车的驱动性能 电动机驱动系统是电动汽车的核心部件，是提高电动汽车的可靠性，驱动性 能和行驶里程的最基本保证。特别是在目前蓄电池技术未取得突破的背景下，电 机驱动系统是保证电动汽车续行里程、使电动汽车产业化的关键。 电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电机【1 1 ，最开始是采用了控制性能较 好并且成本较低的直流电动机( d c m ) 。随着电力电子技术及电机控制技术的发展， 永磁电动机( p m ) 、交流感应电动机( i m ) 、开关磁阻电动机( s r m ) 显示出了比 直流电动机更加优越的性能，并已经逐渐淘汰了直流电动机。 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 1 直流电动机驱动系统 2 0 世纪9 0 年代前开发的电动汽车通常采用直流电机驱动系统。直流驱动系统 具有控制器简单、成本低、易于平滑调速、控制相对成熟等优点，但由于直流电 机在运行过程中需要电刷和机械换向器换向，使电机的效率和转速均低。 电动汽车的驱动直流电机运行时可以运行在电动机状态，也可以运行在发电 机状态。当电动汽车在起动、加速和恒速运行时，电动机处于电动状态，实现电 能到机械能的变换，驱动使车辆前进。当电动汽车减速、制动时，控制直流电机 处在发电制动状态，即处于再生制动状态，给蓄电池充电。电动汽车直流电机驱 动系统中的直流电机通常采用串励电机和他励电机。 直流电机的控制器采用的是斩波控制，通过改变直流电机电枢两端的等效平 均电压控制电机的转速和转矩。在电枢电压调节的直流调速系统中一般采用脉宽 调制方法( p w m ) 直接将恒定的直流电压调制成极性可变、大小可调的直流电压， 实现直流电动机转速和方向的平滑调节。直流有刷电动机系统的电刷和换向器结 构限制了其高速性能及运行可靠性，近年来在电动汽车上的应用己经少见。 1 1 2 开关磁阻电动机驱动系统 开关磁阻电动机是一种新型的电动机，其结构比任何一种电动机都要简单， 在开关磁阻电动机的转子上，不存在转子导体和永久磁铁等。开关磁阻电动机的 定子和转子均采用凸极结构，定子和转子都是由硅钢片叠片组成，定子槽内安装 有结构比较简单的集中式定子励磁绕组，定子端接逆变器通入电流进行励磁，转 子的旋转是通过磁吸引力来驱动，转速可达1 5 0 0 0 f r a i n 。其驱动特性如图1 1 所示， 开关磁阻电动机具有以下几个优点1 3 j ： 1 ) 高起动转矩、低起动电流，没有起动冲击电流； 2 ) 高效率、低损耗、耐温。系统效率可达8 5 以上，比不调速的电动机的效 率高；可以实现四象运行和再生制动，进行制动能量回收，控制较灵活；转子不 存在铜耗，整体结构也使散热比较容易。 3 ) 电磁转矩方向与电流方向无关，每相只需要一个功率开关，其功率电路比 感应电动机简单； 4 ) 与一般的交流电机不同，开关磁阻电动机各相电路独立工作，当某一相发 生故障时，只需停止该相工作，电动机仍然可以继续运转，因此可靠性极高； 5 ) 结构最简单坚固，适合高速旋转，电机成本也较低，并且不需要维护，更 2 湖北工业大学硕士学位论文 能适应潮湿、多粉尘的恶劣环境； 图1 1s r m 电动机驱动特性 但是，开关磁阻电动机具有高度的非线性特性，建立它的数学模型的是一个 复杂的过程，需要一般建立简化线性模型。这就导致开关磁阻电动机的驱动系统 较为复杂，其控制和接线也较其他电动机复杂；其次，对于同功率级别而言，开 关磁阻电动机的体积相对交流感应电机也要大一些，即功率密度同比稍低；而且 开关磁阻电动机的双凸结构使得其转矩脉动大、产生的振动和噪声也较大；另外 由于开关磁阻电动机的相电流为脉冲电流，使得功率逆变器的直流侧存在较大的 电流波动，需装置很大的滤波电容减小电流的冲击。对于开关磁阻电动机的转速 和转矩脉动现象，目前只可以在一定转速范围内使其脉动降低到感应电动机的水 平，要在较宽转速范围内将转矩脉动控制在较小的范围实际控制非常困难。到目 前为止，开关磁阻电机在电动汽车驱动系统中应用极少。 1 1 3 交流感应电动机驱动系统 目前，实际应用于电动汽车驱动系统的电机大部分为感应电机，尤其是在美 国和欧洲国家【2 j 。感应电机根据转子结构的不同有两种类型：鼠笼式和绕线式。鼠 笼式感应电机效率和功率密度较高、结构简单、运行可靠、易维护、可靠性高、 价格低廉、控制技术也较成熟，最高转速可达1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 r m i n 。 图1 2 为感应电机的驱动特性，应用于电动汽车驱动的感应电动机为了满足电 动汽车的性能要求，在设计方面应具有以下特点：一是尽量减小定转子之间的气 隙，提高功率因数，并同时减小漏抗，提高电机的转矩；二是要更加注重电机的 3 湖北工业大学硕士学位论文 电磁优化设计，使转矩、功率和效率达到三个指标都较优化；三是要采用质量轻 强度高的材料，减小其质量和体积，以满足整车布局的要求。 恒转矩区i 恒功率区高速滑行区 j - 电压 i 、 l i l o l心篓一 图1 2 感应电动机驱动特性曲线 感应电动机具有高度非线性、强耦合性特性，其控制技术难度大，低速性能 不好，传动需要减速机构，容易发热。目前感应电机的电机本体方面的研究涉及 电机绕组的换接和变极等技术。感应电动机的控制主要有两种方法：一是变频调 速控制，这里又可以分为恒压频比变频调速控制和转速闭环转差频率调速控制两 种方法；二是采用矢量控制，矢量控制主要有转差频率矢量控制、矢量控制、最 优效率与最大转矩控制等四种方法。除了上述两种控制方法之外，另外还有直接 转矩控制，在工业控制中有较成熟应用，目前在电动汽车中应用较少。变频调速 控制方法控制器结构简单，成本低，但控制精度低，动态性能差；矢量控制方法 控制器结构复杂，成本高，但控制精度高，转速控制范围宽，动态性能好，应用 最普及。 1 1 4 永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机驱动系统 永磁电动机用途同益广泛，它包括反电动势为方波的无刷直流电动机和反电 动势为正弦波的永磁同步电动机两种电机。无刷直流电动机( b l d c m ) 具有功率 密度大、效率高、位置检测方便、控制简单等优点。缺点是换相电流难以达到理 想状况而存在一定的转矩脉动和噪声、振动，但对应用于有减速装置和车速要求 不高的汽车驱动系统不成问题。所以，无刷直流电动机系统在电动汽车驱动系统 中得到了广泛重视并且得到普遍应用。 永磁同步电动机( p m s m ) 系统具有高效率、高功率密度和高转矩密度、高控 4 湖北工业大学硕士学位论文 制精度、良好的转矩平稳性及低振动噪声等优点，通过永磁磁路结构的合理设计 能获得较高的弱磁性能【4 j ，如图1 3 为永磁同步电机的驱动性能曲线，因此，永磁 同步电机在电动汽车特别是高档电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，已经受 到国内外电动汽车界的高度重视，并已在日本得到了普遍应用，永磁同步电机驱 动系统是最具竞争力的电动汽车驱动系统。 永磁同步电动机与其他类型电动机相比，具有以下几个优点： 1 ) 效率可达9 7 ，是所有电机中效率最高的，功率因数高，功率密度大， 达到l k w k g 以上： 2 ) 转子上没有绕组，结构简单，可靠性好，体积小，质量轻，维护方便； 3 ) 转子上没有铜耗，在低负荷时铁损很小，整体损耗小，发热主要是定子， 所以其冷却系统相比简单； 4 ) 转子时间常数小，转速可以很高，电机动态性能好，其极限转速和制动 性能都超过其他类型的电动机。 图1 3 永磁电动机驱动特性曲线 美国g m 公司、德国西门子公司、日本丰田公司等对相同功率的感应电机系 统和永磁同步电机系统进行了实验比较，得到的结论是：永磁同步电机系统具有 更高的效率，尤其是低速下有更高的效率，更高的功率密度，但价格比感应电机 贵。对于最大功率为1 0 0 k w 的两种电机，永磁同步电机系统重量比感应电机少4 k g ， 分别采用相位超前控制和转差控制方法，最大功率时的永磁同步电机的效率比感 5 湖北工业大学硕士学位论文 应电机系统高1 0 。对于2 5 k w 的永磁同步电机和感应电机比较结果是永磁同步电 机的价格贵2 0 【5 l 。日本富士公司提出的适于大规模生产的永磁电机装配后充磁技 术，可将永磁电机的价格降至与感应电机相近的水平。 表1 1 是目前世界各国电动汽车驱动电动机的选择类别状况，表1 2 是采用不 同电动机驱动系统的主要特点。 表1 1 汽车驱动电动机选择状况 表1 2 不同电动机驱动性能对比 在电动汽车驱动系统中，驱动电机的速度范围宽和效率高是对驱动电机的两个 基本要求，它影响车辆的动力性和传动系统的结构。电机低速运行时的输出转矩 能力显著影响车辆的加速性。实际上，汽车很少工作的极端的高速和加速状态下。 表1 2 描述了电动汽车不同的电机驱动系统的主要特点对比，把不同的特点分为5 个等级，从1 到5 代表电动驱动系统向好的方面的改进。除开成本以外，综合来 看，感应电机得分最高，这也是目前市场上的电动汽车驱动系统中感应电机应用 6 湖北工业大学硕士学位论文 最多的原凶。但是，根据表1 2 ，如果从提高汽车的续航能力，要求电机高效率方 面考虑，永磁电机是一个更好的选择方案。 1 2 永磁同步电动机在电动汽车中应用 1 2 1 电动汽车驱动用永磁同步电动机本体特点 永磁同步电动机有效率高、结构简单、转矩密度高、体积小、重量轻、快速 响应能力好、功率因数高等优点。特别内置式永磁同步电动机，其转子交、直轴 磁路不对称增加了电机的磁阻转矩，提高了电机的功率密度和过载能力，而且易 于弱磁调速【6 】，非常适合用作电动汽车的驱动电机，受到人们的普遍关注。日本丰 田( t o y o t a ) 公司的普锐斯( p r i u s ) 混合动力车中就成功的应用采用两台内置 径向式转子结构的永磁同步电动机i 7 。目前，在电动汽车永磁同步电动机驱动系统 的研究、开发和商业化方面，日本汽车公司处于领先地位。 内置转子结构永磁同步电动机的本体结构在设计过程中特别要注意三个方面的问 题，1 ) 提高转子磁桥部分的机械强度。由于驱动电机在高速运转时磁钢和转子都 产生很大的离心力，所以磁桥部位设计时要有足够的厚度；同时磁桥的厚度也不 能太厚，以免过大的漏磁，使气隙磁密下降过多；2 ) 充分利用磁阻转矩，提高电 机的转矩密度；3 ) 减少铁耗，提高电机的效率。电机在高速运转时，电机定子中 的磁通的变化频率远大于工频，在丰田普锐斯混合动力电动汽车中通过选择合适 的极对数降低转子磁通的频率，并且采用了性能更好的硅钢片来减少铁损耗。 电动汽车永磁同步电动机采用脉宽调制方式，这种控制方式使电机的杂散损 耗升高、电机效率下降，振动、噪声及转矩脉动增加。在蓄电池技术没有得到突 破的情况下，电动汽车用永磁同步电动机的效率是衡量永磁同步电机驱动系统性 能的重要指标。一些汽车公司对此做出了巨大的努力，并取得了较好的成果。日 本日产公司电动汽车永磁同步电机系统总效率达8 9 ；u n i q u em o b i l i t y 公司为宝 马电动汽车研制的水冷1 8 极永磁同步电机采用内转子铝制机壳结，效率为9 1 ； 日本n e wd r i v es y s t e mm e e t i n g s 开发的电动汽车用表面插入式永磁同步电机系统 效率大于8 5 ；韩国学者设计的轮式驱动永磁同步电动机样机效率达9 5 i 剐。 电动汽车用永磁同步电动机系统的另一个重要指标就是持续运行的转矩密 度。日本a i s i n a w 有限公司制作的电动汽车永磁同步电动机1 小时持续转矩密度 为0 7 7 8 n m k g ，1 5 分钟持续转矩密度为1 1 7 9 n m k g ；日本n e wd r i v es y s t e m m e e t i n g s 开发的新型电动汽车驱动系统的表面插入式永磁同步电动机，1 小时持续 转矩密度为0 5 0 5 n m k g 。 7 湖北工业大学硕士学位论文 电动汽车永磁同步电动机的弱磁能力对整个汽车驱动系统的设计非常重要。 在保证驱动电机最高转速的前提下，降低电机的转折转速，扩大电机的弱磁调速 范围，有助于提高电机的低速转矩，改善电动汽车的加速性能和爬坡能力。扩大 电机的弱磁调速范围对要求低速大转矩、高速小转矩的电动汽车驱动系统具有特 别重要的意义。同时，降低永磁同步电动机的转折转速有利于降低电机的功率等 级，可使电动汽车保证驱动性能的前提下，降低逆变器及蓄电池容量，从而降低 电动汽车的制造成本，或在逆变器及蓄电池容量保持不变的条件下，提高电动汽 车起动加速能力、低速爬坡能力及续行里程。 1 2 2 电动汽车驱动用永磁同步电动机的控制 电动汽车电机驱动系统的特性曲线如图1 4 所示。这条特性曲线分为两个区 域：i 区为恒转矩区，功率随转速的提高线性增加；i i 区为恒功率区，转矩随着转 速的升高减小。电动汽车在起动、停止和加速、减速时，运行于i 区时。i 区内转 速小，转矩要求比较高，克服惯性阻力。汽车平稳行驶，没有特别大的加、减速 情况时，运行于i i 区。i i 区内车速高，转矩消耗比较小，主要用来克服行驶阻力【9 1 。 电动汽车用永磁同步电机驱动控制系统要满足汽车的这种机械特性。 图1 1 4 汽车驱动系统特性曲线 电动汽车驱动系统的控制策略决定电动汽车的性能，因此采用合适的控制技 术是十分重要的。为了提高永磁同步电动机控制系统性能，使其具有更快的响应 速度、更高的转速精度、更宽的调速范围。专家学者提出了各种新型控制策略用 于永磁同步电动机的控制【1 0 l 。目前国际上先进的电动汽车驱动系统多采用矢量控 制和直接转矩控制( d t c ) 。 8 湖北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 矢量控制 矢量控制是永磁同步电动机系统中应用比较多的控制方式。它是将定子电流 矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，然后分别进行 调节大小后合成为一个电流矢量，达到控制电流的大小和相位的目的。永磁同步 电动机矢量控制策略与异步电机矢量控制策略不完全相同。 由于永磁同步电动机转速和电源频率严格对应关系，其转子转速与定子旋转 磁场同步，转差等于零，没有转差功率，控制效果受转子参数影响小1 1 1 j 。因此，。 在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。永磁同步电动机输出电磁转矩可以对 应多个不同的交、直轴电流组合而成的定子电流矢量，同时也就有不同的系统效 率、功率因数以及转矩输出能力，因此永磁同步电动机有不同的电流控制策略。 1 ) i d = 0 控制。目前，在永磁同步电动机伺服系统中，豇= 0 矢量控制是主要 的控制方式。通过检测转子磁极空间位置即d 轴位置，控制逆变器功率开关器件 导通关断，使定子合成电流为位于q 轴。d 轴位置和q 轴相差9 0 。电角度，因此， 此时d 轴定子电流分量f d 为零，这种控制方式下永磁同步电动机电磁转矩正比于 转矩电流如，即正比于定子电流幅值，只需控制定子电流大小就可以很好地控制永 磁同步电动机的输出电磁转矩。 2 ) 最大转矩电流比控制 在电机输出相同电磁转矩下使电机定子电流最小的控制策略称为最大转矩电 流比控制。最大转矩电流比控制是实质是求电流极值问题，通过建立电机输出电 磁转矩辅助方程，求的产生给定转矩下最小的定子电流。在实际应用中通过离线 计算出不同电磁转矩对应的交、直轴电流，以表的形式存放于d s p 内部存储器中， 实际运行时根据负载情况查表求得对应的i d 、，然后对其电流分别进行控制【1 3 】。 3 ) 弱磁控制 在永磁同步电动机控制器在妇= 0 控制方式下输出电压达到逆变器所能输出的 电压极限后，达到了f d = 0 控制方式下的速度极限。为了使电动机达到更高转速， 需要采取弱磁控制方式。通过调节定子电流i d 和如，增加定子直轴去磁电流分量f d 实现弱磁升速，为保证电机电枢电流幅值不超过极限值，转矩电流分量f q 应随之 减小，并且控制总的电枢电流不超过逆变器的电流极限。这种弱磁控制过程本质 上就是在保持电机端电压不变情况下减小输出转矩，提高输出转速的过程。普通 永磁同步电动机直轴电枢反应比较微弱【1 4 j ，因此需要较大的去磁电流才能起到去 磁增速作用。电动汽车驱动用的永磁同步电机的磁路结构则需要特别设计，使之 具有较强的弱磁能力。 9 湖北工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 直接转矩控制 直接转矩控制技术由德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授在1 9 8 5 年针对感应电机控 制提出。直接转矩控制直接在定子坐标系下计算并控制电机定子磁链和转矩，采 用空间电压矢量分析方法，借助离散两点式控制调节产生p w m 信号，对逆变器开 关状态进行最佳控制，获得转矩的快速性和准确性。 直接转矩控制可以提高转矩响应的快速性，不需电流解藕控制，直接控制电 机的磁链和转矩，理论上能获得高的控制性能。这种控制方式很大程度上克服了 矢量变换控制中的复杂计算1 1 5 1 ，系统控制算法相比简单。直接转矩控制解决了感 应电机的矢量控制在实际应用中存在的三个不足：( 1 ) 转子磁链难以准确观测：( 2 ) 系统特性受电动机参数影响较大；( 3 ) 感应电机在等效为直流电动机控制过程中 所用的矢量旋转变换算法较复杂。 直接转矩控制转矩响应快、算法简单，对电机参数依赖小的优点，使其能够 更好地满足电动汽车运行要求。同时这也决定了直接转矩控制方式在电动汽车永 磁同步电动机驱动系统中有非常重要的价值。将直接转矩控制技术引入并应用于 电动汽车用永磁同步电机驱动系统，可以全面提高电动汽车性能。由于电机转子 结构的差异，永磁同步电动机控制系统的控制和感应电机的直接转矩控制理论有 较大差异。永磁同步电动机矢量控制到直接转矩控制的简化程度没有感应电机的 简化程度大。永磁同步电动机的直接转矩控制与感应电机相比研究要落后许多【1 6 l 。 1 3 电力电子和计算机控制在汽车驱动电机控制器中的应用 1 3 1 电力电子在汽车驱动电机控制器中的应用 电动汽车的驱动系统包括电动机驱动装置、机械传动装置和车轮，是电动汽 车的重要组成部分。电动汽车的驱动核心是电动机驱动装置，包含了电动机和电 动机控制器。电动汽车驱动系统是电力电子技术一个新的应用领域，包括d c d c 、 d c a c 变换器、电机驱动技术、能量管理技术等。电动机驱动系统中的电力电子 技术是汽车驱动装置的底层研究，在汽车电动机驱动系统中，电力电子技术是汽 车电气技术的基础和关键所在，所以要大力发展车辆驱动控制的电力电子技术， 使驱动系统具有更高的工作效率和更快的转矩响应。 目前，应用于功率变换装置的开关器件主要有g t o 、b j t 、m o s f e t 、i g b t 和i g c t 等。i g b t 是目前使用最多的大功率开关器件，具有压控元件的栅极阻 抗高，开关时间极短，驱动功率小，电路响应速度快，开关损耗小，噪声小等优 点。集成门极换流晶闸管( i g c t ) 在大功率场合应用较多，是将g t o 芯片与反并 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 联二极管和i 、j 极驱动电路集成在一起，具有大电流、高电压、高开关频率、结构 紧凑、可靠性好、损耗低、制造成品率高等特点。 功率半导体器件研制和开发中的一个共同趋势是模块化集成化，以缩小开关电 路装置的体积，降低成本，提高可靠性，便于电力电子电路的设计研制。同时开 关器件之间的连线更紧凑，减小了线路电感，简化了对保护、缓冲电路的要求。 功率模块最常见的拓扑结构有串联、并联、单相桥、三相桥以及它们的子电路。 将同类开关器件的串、并联以提高电路的额定电压、电流。 在电动汽车中采用双向d c d c 变流器可以实现储能单元能量的双向流动，同 时也使储能单元容量和电压配置更为灵活多变。另外，在一些电动汽车的驱动系 统中，采用变母线电压的驱动方式改善驱动电机的工作性能。 电力电子技术是电动汽车用电动机控制技术发展的重要基础，发展非常迅速。 目前，电动汽车中电力电子器件主要采用智能功率模块，它在i g b t 基础上，集成 了控制、检测、保护和自诊断等功能。智能功率模块采用了隔离技术，散热更均 匀，体积更加紧凑。电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发 展影响极大，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制应用，功率器件 的发展、新型功率器件推动电动汽车向更高效、更可靠性方向发展。 1 3 2 计算机控制在汽车驱动电机控制器中的应用 自2 0 世纪6 0 年代后期诞生微型计算机以来，包括含单片机，发展速度十分 迅猛，已经进入包括汽车驱动电机控制器在内的各个领域。随着微型计算机、控 制技术、控制理论和策略发展的发展，借助于计算机技术，许多新的控制技术， 如自适应控制、模糊控制、神经网络和专家系统等技术，都己成功应用到在电动 汽车电机控制器。这些技术能够快速完成复杂的控制算法，实时的实现最优控制， 增加驱动系统控制的灵活性和可靠性，推动着汽车驱动电机控制朝着更安全、可 靠、高效节能方向发展。 电动汽车驱动控制系统的电机控制器随着计算机技术的不断发展与应用，经 历了从模拟到数字的发展。模拟控制器的参数受外界因素影响较大，精度较差， 控制效果不够理想。数字控制器可靠性高、参数调整方便、控制精度高、更改控 制策略灵活、对环境因素不敏感，电机的控制器逐渐朝数字化方向发展【1 8 】。 在电动汽车驱动系统的控制器选择上，电机专用数字信号处理器( d s p ) 占了 主导地位。基于d s p 芯片制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要求。 通过复杂的算法达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于专利技术的 保密。现在各大d s p 生产厂家都推出自己的内嵌式d s p 电机控制专用集成电路。 湖北工业大学硕士学位论文 d s p 芯片品种主要有n 公司的t m s 3 2 0 系列、a d 公司的a d s p 2 1 0 0 系列、m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 系列和a t & t 公司的d s p 3 2 系列。其中性能比较突出t i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 x x x x 系列d s p 。美国t i 公司推出的t m s 3 2 0 f 2 4 0 x 是适于工业控制， 尤其适用于电动机控制的专用芯片。应用t m s 3 2 0 f 2 4 0 x 可以大大简化控制系统的 硬件结构，以它为核心设计电机数字系统是目前系统最小、实时性最强的一种方 案。其高速性可以使复杂控制策略得以实现并降低成本。 电动汽车驱动系统规模比较大，时序、组合逻辑都很复杂，存在大量的逻辑 运算，运用可编程逻辑器件可以快速的实现这种逻辑运算。随着可编程逻辑器件 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 、c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) 和p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 、通用阵列逻辑g a l ( g e n e r i ca r r a y l o g i c ) 等逻辑器件的发展，使用d s p 和逻辑器件共同对电机实施控制，使逻辑器 件分担逻辑运算并对d s p 进行监视，可以对电机更方便、更好地进行控制。d s p 芯片和这些可编程控器件可以大大减小控制系统的体积、提高系统运算能力，实 现复杂的实时控制。 研制高水平的适合电动汽车运行特点的电机计算机系统可以简化系统硬件结 构、提高性价比及抗干扰能力，对于提高电动汽车的动力性、可靠性、降低系统 造价有重要的意义。 1 4 课题背景、来源、研究内容和论文安排 1 4 1 课题背景 当前全球都面临能源短缺问题和环境污染问题，这两大问题直接威胁着以石 油为燃料的交通工具的可持续发展。环境污染已经成为我国城市经济发展和社会 进步的严重障碍，2 0 0 2 年的环境质量监测数据表明，在4 7 个环境重点城市中，达 到国家环境空气质量二级标准的占1 3 弱，超过二级标准和三级标准的城市占2 届 强。由于电动汽车能够达到零排放或超低排放，因此，开发和推广应用电动汽车 是改善空气质量的重要措施之一。随着人类环保意识的不断提高，电动汽车将成 为二十一世纪汽车发展的必然趋势。 目前，9 5 以上的的道路交通要依靠石油，发达国家每年一般以上石油消耗 的都是用于道路交通，全世界汽车石油消耗量石油消耗量的一半以上。近几年来， 我国汽车数量迅速增加，同样面临石油紧缺和汽车尾气污染问题。我国目前已经 成为世界石油消费的第二大国，石油消费增长的头号大国。由于电动汽车的开发 和推广应用有利于缓解我国石油供需的紧张局面。推广应用电动汽车，可以减少 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 对石油资源的过分依赖，缓解右油供应紧缺的矛盾，对保障我国能源安全非常有 利。 电动电池汽车具有高效节能、低排放甚至零排放的特点，受到世界各国广泛 重视，都投入了大量资金开发电动汽车。在日本、美国、法国等国已经开发出各 种类型商品化的电动汽车。日本本田公司1 9 9 7 年率先向市场推出的普锐斯混合动 力汽车，在日本、美国和欧洲各国市场上获得较大成功，累计销量已经超过6 0 万 辆。 我国在“十五”期间，国家电动汽车重大科技专项确立以燃料电池汽车、混 合电动汽车、纯电动汽车为“三纵 ，以多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄 电池及燃料电池等关键零部件为“三横 ，的“三纵三横”研发布局。开发电动 汽车整车技术和关键零部件技术，推动了电动车技术开发。一汽集团、东风集团、 上汽集团、中科院、清华大学、同济大学、北京理工大学及中国汽车技术研究中 心等相关高科技企业、高等院校、科研院所参与电动车研发【2 0 1 。 1 4 2 课题来源 本课题来源于湖北工业大学稀土电机及控制研究所与台湾阪神电机公司合 作项目。对印度r e v a 公司现有的小型纯电动汽车的电机驱动系统进行升级， 即将原有的感应电动机驱动系统改为永磁同步电动机驱动系统。原有感应电动机 采用变频驱动，额定功率为6 千瓦，转速4 0 0 0 转分，最高转速8 0 0 0 转分，额 定电压2 8 v ( a c ) 。 1 4 3 研究内容和论文安排 本论文主要完成了两个方面的内容：第一、提出了t 形结构转子的电动汽车 用永磁同步电动机，借助有限元计算软件a n s y s 进行磁场仿真分析，优化永磁同 步电动机转子冲片，使电机气隙磁场接近正弦；第二、设计并制作用于电动汽车 永磁同步电动机的控制器，进行整个系统的空载及负载试验，给出了初步试验结 果。 论文共分五章： 第1 章综述了目前电动汽车常用的驱动电机，比较了它们的驱动特性，提出 永磁电机是有竞争力的电动汽车驱动电机之一，并综述了永磁同步电动机在电动 汽车中的应用状况，最后介绍了电力电子和计算机控制技术在电动汽车驱动系统 中的应用。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章阐述永磁同步电动机的结构特点和基本理论。首先介绍和比较永磁同 步电动机转子的各种结构型式，阐述了电磁场有限元法的基本理论，着重讨论有 限元法在永磁同步电动机磁场分析中的应用，使用a n s y s 对t 形结构转子进行电 磁场分析，并用f 丌快速傅立叶变换对气隙磁场进行分析，总结出t 形结构转子 的尺寸对气隙磁场分布的规律，最后得到优化的转子结构尺寸。 第3 章研究了基于d s p 2 4 0 7 和三菱i p m 的电动车用永磁同步电机控制器。首 先介绍了整个控制器的硬件构成，然后详细说明了各个模块的功能及实现方法， 给出了研究设计过程中的出现的问题和解决办法。 第4 章阐述了永磁同步电机的数学模型和仿真模型，并给出了电机及控制器 矢量控制的仿真分析结果，并给出了控制器的空载及负载实验结果。 论文最后对全文进行总结。 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章t 形转子结构高速永磁同步电动机 2 1 永磁同步电动机转子结构综述 永磁同步电动机分为内转子和外转子结构，本文主要讨论内转子结构。就内 转予结构而言，从转子磁钢的放置形式来分，有面装式、内置式和爪极式三种形 式。在电动汽车中也有采用盘式结构和外转子结构的【2 ，由于爪极式结构性能不 适合用于电动车，故本文不作讨论。 2 1 1 面装式转子 这种结构中，永磁体呈瓦片形，位于转子铁心的外表面。磁钢一般径向充磁， 在较高转速永磁电机转子中，永磁体外表面套非磁性圆筒，或在永磁磁极表面以 无纬玻璃丝带绑扎。该结构又分为凸出式和插入式两种，如图2 1 所示，阴影部分 为磁钢。由于永磁材料的相对磁导率接近1 ，表面凸出式的转子结构，交轴与直轴 电感相等，属于隐极同步电机转子结构，而表面插入式的转子结构属于凸极同步 电机转子结构【2 2 1 。 表面凸出式转子结构具有结构简单，制造成本低，转动惯量小等优点。磁极 采用等径磁钢，降低了磁钢加工成本。表面插入式转子结构，可利用转子磁路不 对称所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，改善了动态性能较凸极式1 2 3 】。但 由于漏磁路磁阻小，漏磁系数比凸出式大，使其成本比凸出式偏大。 ( a ) 表面插入式 图2 1 面装式转子结构 ( b ) 表面凸出式 湖北工业大学硕士学位论文 内置式的转子结构属于凸极转子结构，这种结构u j 以允分利用转子磁路结构 不对称所产生的磁阻转矩，以提高电机的功率密度。但由于漏磁路的磁阻小，漏 磁系数大，与面装式转子相比产生相同气隙磁密需要较多磁钢，转子加工业比面 装式复杂，故成本比面装式转子偏大【2 4 】，但是动态性能比面装式稍强。 按永磁体的充磁方向，内置式转子结构又可分为切向式、径向式和混合式。 ( 1 ) 内置切向式转子结构 内置切向式转子结构的永磁体充磁磁场方向与转子表面垂直，其漏磁比面装 式的径向磁场结构要大。在切向式结构中两块相同极性永磁体并联励磁，有两个 永磁体截表面提供磁通，可提供较大气隙磁通，特别当电机极数较多时更明显。 因此，这种结构当要求气隙磁密高且极数较多有较大优势。 图2 2 内置切向转子结构 图2 3 内置径向转子 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 iii_ii 切向式转子电动机处于高速运行时，转子表面将承受较大的离心力，必须应 用一些措施，如套隔磁套，绑扎无纬玻璃丝带等，增强转子的机械强度。这些附 加结构使转子结构更加复杂，加大了电机的加工和装配的难度，使电机成本也增 加。 ( 2 ) 内置径向式转子磁路结构 内置径向式转子结构中永磁体充磁磁场方向与转子表面垂直，这种结构较上 面内置切向式结构漏磁系数小。内置径向式磁路结构在一对极磁路中有两个永磁 体提供磁动势，只有一个永磁体截面提供磁极磁通，所以气隙磁密相比内置切向 式较低。内置径向式结构的优点是漏磁系数小，不需采用隔磁措施，极弧系数可 以设计更合理，转子机械强度更高、永磁体固定方便等。 ( 3 ) 内置混合式转子磁路结构 内置混合式转子磁路结构兼有切向式结构和径向式结构的优点，但该结构的 制造工艺比较复杂，制造成本也比较高。 上述三种转子结构电动机在相同条件下，直轴同步电抗相差不大，交轴同步 电抗有较大差别，切向式转子结构电动机的交轴电抗x 最大。实际电机的交、直 轴x d 、) ( q 的大小需要实际电机的转子结构和具体尺寸运用电磁场数值计算求得。 较大的x q 和凸极比可以提高同步电动机的牵入同步能力、增大磁阻转矩和电动机 的过载倍数，但电机在起动过程中的振动和噪声