（光学工程专业论文）车用永磁同步电机控制方法研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着环境污染的加剧和石油资源的枯竭，混合动力汽车的发展越来越受到人们的关 注。电机及其控制技术是混合动力汽车的关键技术之一，其控制方法的好坏直接影响着 整车的动力性、燃油经济性以及排放指标。永磁同步电机的功率因数大，效率高，功率 密度大，是一种比较理想的驱动电机，基于永磁同步电机的这些优良性能，它便成为了 混合动力汽车驱动电机的首选电机。 本文以设计高性能、高可靠性、宽调速的混合动力电动汽车电机控制器及控制算法 为目的，选用永磁同步电机作为车用驱动电机，改进控制结构硬件电路，采用基于矢量 控制的弱磁控制方法对车用永磁同步电机进行调速。分析认为该方法可以实现车用永磁 电机的宽调速性能。 围绕以上主题，设计的主要工作有： 1 ) 分析永磁同步电机的总体结构和磁路机构，并给出永磁同步电机稳态性能、磁 路及各参数的计算方法。 2 ) 根据矢量控制和弱磁控制的基本思想，推导三个坐标系之间的相互转换公式； 建立永磁同步电机的矢量控制数学模型及对应于三个坐标系的磁链、电压、运动和转矩 方程。 3 ) 设计电机控制器硬件电路，在硬件方面对电机控制思路进行改进；编写控制软 件程序；搭建电机控制方法实验平台。 4 ) 在确保电机位置检测、及电路各保护功能等逻辑关系正确的基础上，比较了电 机弱磁前和弱磁后的调速性能。试验结果表明了该电机控制方法的正确性，为控制系统 动态性能测试、加载试验奠定基础。 关键词：混合动力汽车；永磁同步电机；矢量控制；弱磁控制 车用永磁同步电机控制方法研究 r e s e a r c ho nc o n t r o lm e t h o df o rp 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 ro f v e h i c l e a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dt h ed e p l e t i o no fo i lr e s o u r c e s t h e d e v e l o p m e n to fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ( h e v ) h a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o m o t o ra n di t sc o n t r o li so n eo fk e yt e c h n o l o g l e so fh e v m o t o rc o n t r o ls t r a t e g yh a sad i r e c t i m p a c to nv e h i c l e sp o w e rp e r f o r m a n c e ，f u e le c o n o m ya n de m i s s i o n s p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r s ( p m s m ) a r ei d e a ld r i v em o t o r sw i t hh i 曲p o w e rf a c t o r , h i g he f f i c i e n c y a n dh i 曲p o w e rd e n s i t y b e c a u s eo ft h e s ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e s ，p m s mb e c o m et h ef i r s t c h o i c ea sh e vd r i v em o t o r s f o rt h ep u r p o s eo fd e s i g n i n gah y b r i de l e c t r i cv e h i c l em o t o rc o n t r o l l e rw i t hh i g h p e r f o r m a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dw i d es p e e dr a n g ea n do p t i m i z i n gc o n t r o la l g o r i t h m ，t h i s p a p e rh a sc h o s e nap 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 ra sah e vd r i v em o t o r , i m p r o v e d t h ec o n t r o lh a r d w a r ec i r c u i t ，a n du s e dt h ef l u x w e a k e n i n gc o n t r 0 1s t r a t e g yb a s e do nv e c t o r c o n t r o lt oc o n t r o lt h es p e e do fp m s m t h es t a t i s t i c sf r o me x p e r i m e n t ss h o w st h a tt h ed e m a n d f o rw i d es p e e dr a n g eh a sb e e nm e t t h em a i nw o r ki sa sb e l o w ： 1 )a n a l y z et h ew h o l es t r u c t u r eo fp 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 ra n dt h em a g n e t i c c i r c u i t g i v ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fs t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c eo fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ，m a g n e t i cc i r c u i ta n dp a r a m e t e r s 2 ) b a s e do nt h ei d e ao fv e c t o rc o n t r o la n df l u x - w e a k e n i n gc o n t r o l ，d e r i v ec o n v e r s i o n f o r m u l a sb e t w e e nt h et h r e ec o o r d i n a t e ss y s t e r n e s t a b l i s ht h ev e c t o rc o n t r o lm a t h e m a t i c a l m o d e lo fp 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 s e tu pe q u a t i o n so ff l u x ，v o l t a g e ，m o t i o n a n dt o r q u eu n d e rt h et h r e ec o o r d i n a t e ss y s t e m 3 、d e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i to fm o t o rc o n t r o l l e r i m p r o v et h em o t o rc o n t r o lm e t h o do nt h e h a r d w a r es i d e w r i t es o f t w a r ep r o g r a m s b u i l du pm o t o rc o n t r o le x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 4 1b a s e do nt h ec o r r e c t i o no fm o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o na n dc i r c u i tp r o t e c t i o nf u n c t i o n so nt h e l o g i cs i d e ，c o m p a r et h ed i f f e r e n c eo fs p e e dp e r f o r m a n c eb e t w e e nf l u x w e a k e n i n gc o n t r o l a n dn of l u x w e a k e r r i n gc o n t r 0 1 r e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mh a se x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c s l a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h es y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dl o a dt e s t i n g k e yw o r d s ：h y b r i de 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 ts y n c h r o n o u sm o t o r ；v e c t o r c o n t r o l ；f l u x - w e a k e n i n g c o n t r o l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：搦拉盘日期：塑盟舀掣 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 扬当毛 翩繇! 她至& 年年越月弭日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景和意义 人类为了生活和生产的需要，1 8 8 6 年发明了汽车。随着科学技术的进步与经济的发 展，汽车已成为人们日常生活中一刻也离不开的交通运输工具。汽车工业在当代世界经 济活动中发挥了巨大的作用，是当今世界最大、最重要的工业之一。美国评选了2 0 项 2 0 世纪最伟大的工程技术成就，第一项是“电气化”，第二项就是“汽车 。汽车工业 的发展给人们造就了许多就业机会，带来了财富，促进了经济的发展。汽车缩短了人们 之间的距离，促进了旅游业的发展，带来了舒适和享受，改变了人们的生活方式，提高 了人们的生活质量，汽车工业已经成为改变整个社会面貌的一个重要手段【l 】。一句话汽 车的出现改变了整个世界。同时汽车工业的发展所带来的对石油资源需求的急剧增加和 对环境严重的负面影响日益引起了人们的关注。为了适应这个发展趋势，世界各国的政 府、学术界、工业界正在加大对电动汽车开发投入的力度，加速电动汽车的商品化步伐。 随着我国经济的快速发展，进口石油呈现逐年增加的趋势。目前世界上空气污染最 严重的1 0 个城市中7 个在中国，根据国家环保中心预测汽车尾气排放量将占空气污染 源正在逐年上升【2 1 。如果仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业将会给我国的能量安 全与环境保护造成巨大的压力；另一方面，全球石油储量有限，能源危机日益严峻。面 临如此严峻的形势，我们必须认真思考我国汽车工业的未来发展。 纯电动汽车是零排放的理想交通工具，即使计入发电厂增加的排气，总量上看，它 也将使空气污染大大减少。纯电动汽车还将使能源的利用多元化和高效化，达到能源的 可靠、均衡和无污染地利用目的。纯电动汽车的以上优点注定了它将是解决上述问题的 有效途径，因此受到了广泛的关注和重视。纯电动汽车发展时间最长，经验也丰富，但 由于一次充电后的续驶里程短，充电时间长，能源补充不方便，在技术上也难以解决废 旧电池污染、回收困难的问题，而且电池价格昂贵，商业化进展缓慢等原因，以及由于 纯电动汽车的电池管理等技术还未能获得关键性突破，使得纯电动汽车的性价比无法与 传统的内燃机汽车相抗衡，因而，尽管目前世界先进水平的电动汽车与内燃机汽车性能 不相上下，但过高的成本难以使其商品化【3 j 。 氢燃料电池动力汽车是目前比较看好最具有产业化可能性的汽车新动力方案。其 中，燃料电池是利用氢气和氧气混合进行电化反应来直接转换电能的装置，能源的利用 效率是普通内燃机的2 - - 3 倍【4 一l 。氢燃料电池动力系统不仅高效、低噪音，而且无污染、 无二氧化碳排放，唯一的副产品是水，是一种新兴的环保动力源。由于氢是世界上最多 车用永磁同步电机控制方法研究 的元素，可以从多种物质中提取，是一种可再生的资源。但是由于其成本高昂、燃料电 池的可靠性和运行寿命较低，无法在短期内取代传统动力汽车。 在这种情况下，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车( h e v ) 被提 上了议程，在世界范围内成为新型汽车开发的热点。混合动力电动汽车的优点是把纯电 动汽车的行驶里程延长了2 - 4 倍，而且能快速添加汽油或柴油。与燃油车相比，在相 同的行驶里程下i 混合动力电动汽车的燃油消耗和排放要小得多，因为混合动力汽车中 的内燃机以最有效的模式工作，燃油消耗小，产生的排放也少，而且，它也可以像纯电 动汽车一样工作于零排放区。所以，可以相信，在燃料电池取得根本性技术突破之前， 混合动力汽车是解决环境污染和能源问题的最有效途径。 混合动力汽车根据其驱动系统的配置和组合方式不同，主要分为：串联式，并联式 和混联式三种【r ，j 。 串联式( 如图1 1 a ) 是混合动力电动汽车中最简单的一种，发动机输出的机械能首 先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动 机和传动装置驱动车轮。和燃油车比较，它是一种发电机辅助型的电动车，主要是为了 增加车辆的行驶里程。 图1 1 混合动力电动汽车分类 f i 9 1 1c l a s s i f i c a t i o no f h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e b 蓄电池：e 内燃机；f 油箱；g 发电机；m 电动机；p 功率转换器；t 传动装置；一电力连 接；= = 机械连接；一液压连接 并联式( 如图1 1 b ) 混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱 动车轮。发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮，可以采用发动机单独驱动， 大连理工大学硕士学位论文 电力单独驱动或者发动机和电动机混合驱动三种工作模式驱动。从概念上讲，它是电力 辅助型的燃油车，目的是为了降低排放和燃油消耗。当发动机提供的功率大于驱动电动 车所需的功率或者再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多于的能量存入电池，降 低能量损耗。 混联式( 如图1 1 c ) 混合动力电动汽车在结构上综合了串联式和并联式的特点，与 串联式相比，它增加了机械动力的传递路线，与并联式相比，它增加了电能的传输路线。 尽管混联式混合动力电动汽车同时具备串联式和并联式的优点，但其结构复杂，成本高。 不过，随着控制技术和制造技术的发展，现代混合动力电动汽车更倾向于选择这种结构。 1 2 永磁同步电机简介 1 2 1 永磁同步电机发展概况 电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立进 行机电能量转换所必需的气隙磁场，一般有两种方法实现。一种是在电机绕组内通过电 流来产生磁场，例如普通的电励磁直流电机和同步电机。此类电机即需要有专门的绕组 和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动；另外一种就是由永磁体来产生磁 场。由于永磁材料所固有的特性，它经过预先磁化后，不再需要外加能量就能在其周围 空间建立磁场。这种电机即可简化电机结构，又可节约能量，本文研究的对象就是永磁 同步电机。 永磁电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。我国是世界上最早发现永磁材料 的磁特性并把它应用于生产实践的国家。早在两千年前，我国就已利用永磁材料的磁特 性制成了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大的作用。 1 9 世纪2 0 年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁电机。 但是当时所采用的永磁材料是天然磁铁矿石，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大， 不久便被电励磁电机所取代。 由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成 和制造技术进行了深入的研究，相继出现了碳钢、钨钢( 最大磁能积约2 7 k m 3 ) i 钴 钢( 最大磁能积约7 2 k j m 3 ) 等多种永磁材料。特别是2 0 世纪3 0 年代出现的铝镍钴永 磁和5 0 年代出现的铁氧体永磁( 最大磁能积在4 0 k j m 3 以上) ，磁性能有了很大提高， 各种微型和小型电机又纷纷使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千 瓦，得到了广泛的应用，产量急剧增加。相应地，这段时期在永磁电机的设计理论、计 算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展，形成了一套独特的分析研究方 法。 车用永磁同步电机控制方法研究 但是以上永磁材料有两个缺点，一矫顽力偏低；二剩磁密度不高，限制了它们在电 机中的应用范围。直到上世纪6 0 年代和8 0 年代，稀土钻永磁和钕铁硼永磁相继问世， 它们的高剩磁磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制 造电机，从而使永磁电机发展进入一个新的历史时期。 稀土永磁材料的出现，引起了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人 力物力进行研究开发。与此相对应，稀土永磁电机的研究和发展大致分为三个阶段。 1 ) 上世纪6 0 年代后期和7 0 年代，由于稀土钻永磁价格昂贵，研究开发重点是航 空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域； 2 ) 到了8 0 年代，价格相对较低的钕铁硼永磁的出现，国内外的研究开发重点转到 工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，再加上电力电子器件和微机控制技术的迅 猛发展，使得稀土永磁电机取代了许多传统的电励磁电机，而且还可以实现传统的电励 磁电机所难以达到的高性能。 3 ) 进入9 0 年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是其热稳定性和 耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究 开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在汽车、国防、 工农业生产和日常生活等方面获得最广泛的应用。目前，永磁电机正在向大功率化( 高 转速、高转矩) 、高功能化和微型化方向发展。永磁电机的设计理论、计算方法、结构 工艺和控制技术等方面的研究工作也都出现了崭新的局面，形成了以电磁场数值计算和 等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助设计软件【6 】 1 2 2 永磁电机的主要特点和应用 与传统的电励磁电机相比，永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻； 损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛， 几乎遍及汽车、航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。 1 ) 永磁同步发电机。永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，也就在电机结 构上取消了容易出问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机，因此，结构简单，运 行更为可靠。采用稀土永磁电机，还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳 值。这些都可以缩小电机体积，减轻质量，提高功率质量比。 2 ) 永磁同步电动机。永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以 显著提高功率因数，可以达到1 、甚至容性，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且 在稳定运行时没有转子电阻损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高2 8 个 百分点。而且，永磁同步电动机在2 5 一1 2 0 额定负载范围内均可保持较高的效率 大连理工大学硕士学位论文 和功率因数，使运行时节能效果更为显著【7 】。永磁电机在制成后难以调节磁场以控制 其功率因数和无功功率，需要从其他方面采取措施。 电动汽车是当前汽车发展的新方向，有实力的国家每年均投入大量经费用于研制和 开发，其中电机和传动系统是电动汽车的心脏，稀土永磁电机以其体积小、效率高、性 能优异而成为各国研制新一代电动汽车的首选方案。 稀土永磁同步电机能在混合动力客车和轿车上广泛的应用，其中除了已有的优点 外，最重要的一点就是它不仅驱动的时候输出效率高，即使在电机发电的过程中也可以 非常有效的回收燃油所放出的热能。可以有效地提高燃油的利用率，节约资源。 1 3 车用永磁同步电机控制方法研究概况 1 3 。1 国外车用永磁同步电机研究概况 永磁同步电机的功率因数大，效率高，功率密度大，是一种比较理想的驱动电机。 由于永磁同步电机的性能优良，所以在1 9 6 5 年日本开始研究电动车，就成为了电动汽 车和混合动力汽车车用驱动电机的首选方案。1 9 9 6 年丰田汽车公司的电动车r a v 4 就采 用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机。随即，东京电机公司有又推出 内置式永磁同步电机驱动系统，并用于第一批批量生产的丰田混合电动车上。本田公 2 0 0 1 年推出的燃料电池试验车f c x v 4 的驱动电机最高功率为6 0 k w ，最大转矩为2 7 2 n m 。 日本大阪大学通过控制电枢电流的直轴成分减小电机的损耗，从而提高电机的效率。+ 除 此之外，日本的其它汽车公司和研发部门也非常重视车用永磁同步电机的研究，并研制 出了各种功率的电机，电机大多采用弱磁控制，提高电机的最高转速。 欧洲许多发达国家很早就开始了对电动车的研究。在法国v e d e l i c 电动车计划 中，p s a 电动车动力传动系统生产商m o t e u r sl e r o y - s o m e r 在1 9 9 7 年改进了驱动电机。 选择的新型驱动电机即为3 相永磁同步电机。德国第三代奥迪混合电动车驱动电机采用 了永磁同步电机，通过弱磁控制电机最高转速可达1 2 ，5 0 0 r m i n 。 与此同时，美国也进行了永磁同步电机的研究，而且成绩卓著。尤其s a t c o n 公司 j a m e sh g o l d i e 和k e v i ne l e r o wr e 等人研制的永磁同步电机采用定子双套绕组技 术，既扩大了电机的转速范围，又有效利用了逆变器的电压，绕组电流低，电机效率【黏9 1 。 1 3 2 国内车用永磁同步电机研究概况 早在上世纪8 0 年代，我国相关方面就已经提出并开始研究混合动力汽车。目前， 许多知名院校和研究所与国内主要汽车生产商合作开发混合动力汽车，其中有很多车辆 采用了永磁同步电机作为驱动电机。 车用永磁同步电机控制方法研究 永磁电机控制，国内主要采用磁场定向矢量控制方法，把电流矢量分成产生磁通的 电流分量和产生转矩的电流分量。当需要高转速运行时，采用弱磁控制，实现恒功率电 机调速【8 捌。 1 4 本文的主要研究内容和创新点 1 4 1 本文的主要内容 本文以设计高性能、高可靠性、宽调速的混合动力电动汽车电机控制器，及基于矢 量控制的弱磁控制方法实现车用永磁同步电机的高速恒功率调速为目的。围绕这个主 题，本文的主要内容有： 第一章绪论：介绍了课题研究的背景和意义、永磁同步电机的发展史和应用特点； 国内外在车用永磁同步电机控制方法的研究现状；以及本文的主要内容和创新点。 第二章分析了永磁同步电机的总体结构和磁路机构；给出了永磁同步电机稳态性 能、磁路及各参数的计算方法。为永磁电机磁路分析、性能分析提供了理论基础。 第三章阐述了矢量控制和弱磁控制的基本思想；推导了三个坐标系之间的相互转 换公式；建立了永磁同步电机的矢量控制数学模型及对应与三个坐标系的磁链、电压、 运动和转矩方程，给控制算法的实现提供了理论基础。 第四章设计电机控制器硬件电路，编写软件控制程序，搭建控制方法实验平台， 建立控制算法仿真模型。 第五章在实验平台上对电机控制器进行相关试验，分析实验结果和数据，并提出 相关建议。对弱磁控制数据进行分析，发现与无弱磁控制调速相比，弱磁后的电机转速 有很大的提高。 1 4 2 本文的创新点 电机控制器控制算法源于工业用通用变频器基于转子磁链定向的矢量控制算法。继 承了矢量控制的核心算法，又根据永磁同步电机转矩输出特点增加了弱磁控制扩速，对 电机控制参数进行了适当的调整，使得电机驱动系统具有调速范围宽、输出响应快的特 点。 一6 一 大连理工火学硕士学位论文 2 永磁同步电机理论模型与计算 2 1 永磁同步电动机的结构 2 1 1 永磁同步电动机的总体机构 永磁同步电动机( p m s m ) 也是由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应 电动机基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁芯可以做成实心 的，也可以用叠片叠压而成。图2 1 为极对数是2 的永磁同步电动机横截面示意图。 图2 1 永磁同步电机横截面图 f i g2 1c r o s s - s e c t i o no fp m s m 1 一定子2 一永磁体3 转轴4 一转子铁芯 3 4 电机电枢绕组既有采用集中整距绕组的，也有采用分布短距绕组和非常规绕组的。 正弦波永磁同步电动机通常采用分布短距绕组，但在一些正弦波电流控制永磁同步电动 机中，为了减少绕组产生的磁动势空间谐波，使之更加接近正弦分布以提高电动机的有 关性能，采用了非常规绕组，可大大减小电动机转矩纹波，提高电动机运行平稳性。为 了减小电动机杂散损耗，定子绕组通常采用星型接法。 2 1 2 永磁同步电动机转子磁路结构 转子磁路结构不同，电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。 近年来，外转子永磁同步电动机在一些领域得到了广泛的应用。其主要优点在于电动机 车用永磁同步电机控制方法研究 转动惯量比常规永磁同步电机大，且电枢铁芯直径可以做得较大，从而提高了在不稳定 负载下电动机的效率和输出功率。 按照永磁体在转子位置的不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种： 表面式、内置式和爪极式。由于主要研究的是内置式转子磁路结构的永磁电机，所以本 论文对其它结构的电机不做介绍。 内置式转子磁路结构的永磁电机，它的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子 铁芯内圆之间( 对外转子磁路结构则为永磁体内表面与转子铁芯内圆之间) 有铁磁物质 制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或者铜条笼，起阻尼和起动作用，动静态、稳态性 能好，广泛用于要求有异步启动能力和动态性能高的永磁同步电动机。内置式转子内的 永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电 动机的过载能力和功率密度，而且有益于“弱磁 扩速【6 】。 内置式永磁同步电动机按照永磁体方向与转子旋转方向的相互关系，磁路结构又可 分为：径向式、切向式和混合式三种。 混合式磁场结构的永磁同步电机就是该电机转子中的永磁体采取径向及切向混合 放置方法，如图2 2 。它集中了径向式和切向式转子结构的优点，主要表现在：漏磁系 数小；极弧系数易于控制；磁阻转矩占电动机总电磁转矩的4 0 ，对充分利用磁阻转矩， 提高电动机功率密度和扩展电动机的恒功率运行范围是非常有利的。 图2 2 内置混合式转子磁路结构 f i g2 2b u i l t - i nh y b r i dr o t o rm a g n e t i cc i r c u i ts l r u c t u r e 1 一转轴2 _ 永磁体槽3 一永磁体4 转子导条 大连理t 大学硕士学位论文 2 2 永磁同步电动机的稳态性能 2 2 1 稳态运行和相量图 正弦波永磁同步电动机与电励磁凸极同步电动机有着相似的内部电磁关系，故可采 用双反应理论来研究。需要指出的是，由于永磁同步电动机转子直轴磁路中永磁体的磁 导率很小，使得电动机直轴电枢反应电感一般小于交轴电枢反应电感。 电动机稳定运行于同步转速时，根据双反应理论可写出永磁同步电动机的电压方程。 u _ e q tl 、r 、七j l l x ，i l d xa a j iq x 明 ：2 。i l ) = e o + i r 、+ j id xd + j lq xq 式中或永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值( v ) ； 移外加相电压有效值( v ) ； 五定子相电流有效值( a ) ； 冠定子绕组相电阻( q ) ； l 、l 直、交轴电枢反应电抗( q ) ； z 定子漏抗( q ) ； x d 直轴同步电抗， 髟= l + 五 ( 2 2 ) x 。交轴同步电抗， x g = x 卿4 - x 1 ( 2 3 ) l 、乞直轴、交轴电枢电流( a ) d2 ：1 8 1 即 ( 2 24 ) g2 f 1c o s 缈 缈与应。间的夹角，称为内功率因数角，j 。超前或时为正。 由电压方程可以很容易的画出永磁同步电机于不同情况下稳态运行时的几种典型 向量图，如图2 3 所示。图中， b 气隙合成基波磁场电动势； 历气隙磁场在直轴分量所产生的电动势； 目d 超前或的角度，转矩角； 缈电压( = r 超前定子相电流j 。的角度，功率因数角。 车用永磁同步电机控制方法研究 图2 3 a 中的电流j 。超前于空载反电动势磊，直轴电枢反应为去磁性质，导致电动 机直轴内电动势历小于空载反电动势毛。图2 3 c 中的电流厶滞后于空载反电动势晶， 直轴电枢反应为增磁性质，导致电动机直轴内电动势易大于空载反电动势。图2 3 b 中所示是直轴增、去磁临界状态下的向量图，由此可得出临界下电压方程： u c o s 0 = e j + r 1 (fi瓦、 u s i n o = i i x q 於、x 、 图2 3p m s m 几种典型向量图 f i g 2 3p m s mt y p i c a lv e c t o rd i a g r a m x 。 从而就可以求得直轴增、去磁临界状态时的空载反电动势 e = u 2 一( l x 。) 2 一，1 墨 ( 2 6 ) 通过上式很容易知道电动机是运行于增磁状态还是去磁状态。从图2 3 还可看出， 要使电动机运行于单位功率因数或者是容性功率因数状态，电机工作在去磁状态才能达 到。 2 2 2 稳态运行性能分析计算 永磁同步电动机的稳态运行性能主要包括效率、功率因数、输入功率和电枢电流等 与输出功率之间的关系。电动机的这些性能都可从其基本电磁关系或从向量图推导得 出。 由2 3 图可得出如下关系： r ：a r m a n 量 ( 2 7 ) q 缈= 秒一y ( 2 8 ) 大连理工大学硕士学位论文 u s i n o = l q x 叮+ i a r l u c o s = e o l a x d + i q r i 从式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 中不难求出电动机定子电流的直轴、交轴分量： l = 坐等铲 ，：xdusill0-r1(eo-ucoso)lq 砥+ xd xd 定子相电流： i = 0 i j + i j 电动机的输入功率： e = m u i ic o s l p = m u lc o s ( o 一妙) = m u ( i as i n0 + i qc o s 0 ) = m u e o ( x g s i no r lc o s o ) + r 1 u + 寺u ( x d x g ) s i n 2 0 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) k + xd xo 定子电阻很小，可以忽略。可得电动机的电磁功率： 匕晔半s m 口+ 等c 去一扣删 汜 除以电动机的转动角速度q ，即可得到电动机的电磁转矩： 乙= 告= 警s i n 乡+ 鼍箬c 去一击灿2 秒 ( 2 6 ， 其中国电动机的电角速度； 胛。电动机的极对数。 电机的输出转矩有一个最大值乙被称为永磁同步电动机的失步转矩，如果负载超 过此值，则电动机将不再能保持同步转速。 根据电机参数毛、置、饬，给定一系列不同的转矩角0 ，即可求出相应的输入功 率、定子相电流和功率因数，尔后求出电动机此时的损耗，便可得到电动机的输出功率 忍和效率r ，从而得到电动机稳态运行性能( 墨、r 、，c o s 伊和厶) 与输出功率最之间 的关系曲线。即工作特性曲线。 2 2 3 损耗分析计算 永磁同步电动机稳态运行时的损耗主要包括以下四项： 车用永磁同步电机控制方法研究 1 ) 定子绕组电阻损耗，可通过公式求得： p 甜= ，以? 尺l ( 2 1 7 ) 2 ) 铁芯损耗。随电机工作温度变化而变化，随负载大小的改变而变化，准确计算非 常困难。工程上采用与感应电动机铁耗计算类似的公式，再根据实际进行修正。 3 ) 机械损耗。根据实测值或者参考其他电机机械损耗的计算方法计算。 4 ) 杂散损耗。目前还没有准确实用的计算公式，一般根据具体情况和经验取定。 2 3 永磁同步电动机参数计算与分析 2 3 1 电机空载反电动势 空载反电动势昂是永磁同步电动机一个非常重要的参数。e o ( v ) 由电动机中永磁 体产生的空载气隙基波磁通在电枢绕组中感应产生，其值为： e o ：4 4 4 f k 咖：4 4 4 f k 咖肱。警l o 。4 ( 2 2 6 ) 0 0 e 的大小不仅决定电动机是运行于增磁状态还是去磁状态，而且对电动机的动态和稳 态性能都有很大的影响。合理的设计e ，可降低定子电流，提高电动机效率，降低电 动机的温度升高。 2 3 2 交、直轴电枢反应电抗 对一台内置式永磁同步电动机的电磁场进行数值计算发现：当电动机直轴电流，d 从 0 0 0 5i 增大n1 ( 电机电枢额定电流) 时，其直轴电枢反应电抗l 从3 3 0 欧增至 3 5 0 欧；而当交轴电流从0 0 0 8 i | 增大到几时，其交轴电枢反应电抗x 钾从1 2 4 4 欧降至8 9 7 欧【6 】。可见，电枢反应电抗的计算，可不考虑l 的非线性，但必须考虑交 轴磁路的饱和对x 。的影响。 从电机向量图( 图2 3 ) 可得电动机直轴内电动势 e a = e o i a x 耐 ( 2 2 7 ) 式中，当电动机运行于弱磁状态时取“ 号；当电动机运行于增磁状态时取“+ 号。 由此可得直轴电枢反应电抗 x 甜：巨型 ( 2 2 8 ) d 式中的历可由如下公式得出 大连理工大学硕士学位论文 e d = 4 4 4 f k l ( 2 2 9 ) 其中。直轴电枢电流等于厶时永磁体提供的有效气隙基波磁通。 所以直轴电枢反应电抗为 l ，一4 4 4 俨咖n 。o ) 一l ，j l = 二 等l 型 1 d ( 2 3 0 ) 交轴电枢电抗彳。因为考虑交轴磁路饱和，需迭代求解，具体步骤如下： 1 ) 给定某一转矩角口； 2 ) 假设交轴电流分量，则交轴电枢磁动势 c 。：1 3 5 k a p n k o q i q ( 2 3 1 )l = ( 2 ) 式中k 。交轴电枢磁动势折算系数。 3 ) 由交轴电枢磁动势通过查表求交轴气隙基波磁通钾。 4 ) 通过叼，求出交轴电枢反应电动势 e 叼= 4 4 4 胚咖凹l ( 2 3 2 ) 5 ) 计算x 。 f = 五+ 等= 墨+ k ( 2 3 3 ) 工口 6 ) 代入式( 2 1 2 ) 求出交轴电流分量计算值。 7 ) 比较j 叮和值，重复2 ) 到6 ) 步，反复进行迭代计算，直至与i q 间的误差在 容许的范围内。 相对来说，l 对永磁同步电动机性能的影响比x 。对电动机性能的影响更加明显。 2 3 3 交、直轴电枢磁动势折算系数 交、直轴电枢磁动势折算系数k 埘和k 甜反映了电动机磁路结构对电动机电枢反应电 抗x 册和l 的影响，其大小主要与电机结构参数有关，较难用解析法准确计算，一般 直接采用经验值得出。 2 4 本章小结 本章主要介绍了永磁同步电机的结构、稳态性能及各参数的计算方法。给电机控制 算法的分析研究奠定了理论基础。 车用永磁同步电机控制方法研究 3 电机控制方法的原理及数学模型 3 1 矢量控制原理、坐标变换及电机方程 3 1 1 矢量控制基本思想和原理 他励直流电动机转速很容易控制，而且可以得到非常优良的静、动态特性，但是如 果采用同样的理论和方法控制永磁同步电动机却达不到理想的目的。这是因为直流电动 机数学模型简单、主要物理量之间关系解耦，电动机调速便于控制。而永磁同步电动机 数学模型十分复杂，主要物理量之间关系强耦合，电动机转速不便于控制。矢量控制的 基本思想就是超越原有永磁同步电动机传统的模型，建立一个全新的模型，这个模型即 等效于永磁同步电动机，也等效于一个直流电机。这样，就可以模拟控制直流电动机的 理论和方法控制永磁同步电动机并取得优良的静、动态性制1 。7 1 。 矢量控制理论( t r a n sv e c t o rc o n t r 0 1 ) 是由德国的f b l a s c h k e 在1 9 7 1 年提出的。 矢量控制方法的关键就是如何通过转换实现对电机电枢电流的解耦控制，并不影响旋转 磁场的产生。 众所周知，任意多相绕组通以多相平衡电流，都能产生旋转磁场。据此，对下面三 种旋转磁场进行分析。 对三相绕组么、b 、c 通入三相电流后，随着时间的变化，合成磁场的轴线也在变 化，电流交变一个周期，磁场也旋转一周，合成磁感应强度不变。如图3 1 ( a ) 所示。 b c tf ( b ) ( c ) 图3 1 旋转磁场三种实现方法 f i g 3 1i m p l e m e n t a t i o no f t h r e ek i n d so f r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d 大连理工大学硕士学位论文 两相固定绕组口、在空间上相差9 0 0 ，两相平衡的交流电流f 。、i 疗在相位上相差 9 0 0 。两相绕组合成磁场如图3 1 ( b ) 所示。可见，两相合成磁场也具有和三相旋转磁 场完全相同的特点。 在旋转体上放置两个互相垂直的直流绕组m 、丁，给这两个绕组分别通入直流电流 时，它们的合成磁场是恒定磁场，但是当旋转体旋转时，该磁场也随之旋转。旋转磁场 也满足三相旋转磁场的特点，如图3 1 ( c ) 。 综上所述，认为这时的三相磁场、两相磁场、旋转直流磁场系统是等效的。她们之 间是可以进行等效变换的。也就是说，假想由两个互相垂直的直流绕组同处于一个旋转 体上，两个绕组中分别独立地通入由给定信号分解而得的励磁电流信号f ，和转矩电流信 号0 ，并把它们作为基本控制信号，通过等效变换，可以得到与基本控制信号f ，和i 丁等 效的三相交流控制信号f 。、f r 、扛，用它们去控制逆变电路。同样，对于电动机在运行 过程中系统的三相交流数据，又可以等效变换成两个互相垂直的直流信号，反馈到控制 端，用来修正基本控制信号f f 丁。这样，就可以和控制直流电机一样，实现了电枢电 流的单独控制，从而获得和直流电机一样的优良控制性能【1 7 】。其基本原理框图如图3 2 。 控制 k 。 直交 r 变换 器 z r p a r k 一1 l 直交 b 变换 p a r k 2 3 。 一 r 逆变 - 变换 b。 c l a r k e 一1 0。电路 - 2 3 一 一 变换 ! i ：1 传感 0器 c l a r k e 图3 2 矢量控制原理框图 f i g 3 2v e c t o rc o n t r o lb l o c kd i a g r a m 3 1 2 矢量控制坐标变换 矢量控制系统的坐标变换包括静止坐标系间的变换、旋转与静止坐标系间的变换 一、静止坐标系间的变换 ( 1 ) 静止三相坐标系变换为静止二相坐标系 车用永磁同步电机控制方法研究 静止三相坐标系么、b 、c 和静止二相坐标系口、之间的变换，如图3 3 所示： b 图3 3 静止坐标系 f i g 3 3t h es t a t i o n a r yr e f e r e n c ef l a m e 假设口轴和彳轴重合，三相绕组每相有效匝数为n 3 ，二相绕组每相有效匝数为n 2 ， 设两坐标系电流关系如下： f 口 l b 7 0 2 c 3 s 2 s h ( 3 1 ) 为了便于反变换，即静止二相坐标系变换为静止三相坐标系，在两相坐标系中增加了 个假想的零轴e g , 流i o ，且芘= k ( i 爿+ + f c ) = 0 ，这并不影响总的变换结果，k 为一待 定常数。应用变换前后总磁势、总功率不变的原则得出变换矩阵c 3 s 脚： 变换前后总磁势相等 静止二相绕组和静止三相绕组的磁势在口轴和轴上的投影相等，得：