（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的混合动力汽车电机驱动系统的研究.pdf

哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nm o t o r d r i v i n gs y s t e mo fh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l eb a s e do nd s p a b s t r a c t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fc o n v e n t i o n a l e n g i n e - d r i v e nv e h i c l ea n dp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w p o l l u t i o na n dl o wf u e lc o n s u m p t i o n ，j u s tb e c o m e sa f e a s i b l es o l u t i o nt os o l v et h e e n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m s m o t o rd r i v i n gs y s t e mb e i n ga m a i nd e p a r t m e n to fh e vp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nh e vd e v e l o p m e n t s or e s e a r c h a n da n a l y s i so nm o t o rd r i v i n gs y s t e mh a v eag r e a ts i g n i f i c a n c e t h ec o n t r o ls y s t e mo 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 ( p m s m ) u s e do n h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei sm a i n l yr e s e a r c h e di n t h i sd i s s e r t a t i o n c o m b i n i n gt h e r e q u i r e m e n t s o fh e v sm o t o r d r i v i n gs y s t e m ，t h es t r a t e g y o fm a x i m u m t o r q u e p e r - a m p e r ec o n t r o la n dm a x i m u mp o w e rf l u xw e a k i n gc o n t r o li sp r o p o s e d b a s e do nt h em a t hm o d e l so fp m s m w h e nt h ev e h i c l ea tt h es t a r t ，a c c e l e r a t i o n ， c l i m b i n ga n do t h e rc o n d i t i o n s ，t h em a x i m u mt o r q u e - p e r - a m p e r ec o n t r o ls t r a t e g yi s a d o p t e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fl a r g e rt o r q u eo u t p u t ；w h e nt h ev e h i c l ew o r k i n g a th i 曲一s p e e do rs h o r t t e r mo v e r t a k i n g ，t h ec u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yo fm a x i m u m p o w e r f l u xw e a k i n gi sa d o p t e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g hp o w e ro u t p u t t h em o d e lo fp m s mv e c t o rc o n t r o l s y s t e m i ss i m u l a t e db a s e do n m a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h es p a c e v e c t o rp w m ( s v p w m ) t h e o r y i sa n a l y s e di nd e t a i l a n dt h ec u r r e n t ，v o l t a g ea n ds p e e dc u r v e so ft h em o t o ra r eo b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e t h e o r yr e f e r e n c et ot h ep r a c t i c a ls y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o ft h eh e v sm o t o rc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e db a s e do nt h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 810p r o d u c e db yt ic o m p a n y , a n dt e s t i n gr e s u l t sa r eg a i n e d f r o mt h ee x p e r i m e n t ， t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dd a t a sf r o mt h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tv e c t o rc o n t r o l s y s t e mo fp m s md e s i g n e di nt h i sp a p e ri sr e a s o n a b l ei nh e v sm o t o rd r i v i n gs y s t e m ， a n dc a nm e e tt h ed e m a n do fm o t o rd r i v i n gs y s t e mb a s i c a l l y - 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 k e y w o r d sh 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 ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的混合动力汽车电 机驱动系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明的部分外， 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 名：歹疆伽嗍伽肌日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于d s p 的混合动力汽车电机驱动系统的研究系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打、) 作者签名：日期： 导师签 日 日 肜 加 月 月 哆 矿 年 年 少吵 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着全球汽车工业的不断发展，燃油汽车的产量、销售量和保有量逐年增 加，据统计，当今全球汽车保有量已经超过8 亿辆，据我国商务部分析，到2 0 1 0 年，我国汽车保有量也将达到5 5 0 0 万辆左右。众多的燃油汽车对石油资源的需 求量越来越大，随着日渐严峻的能源危机的凸现，迫切要求各大汽车生产厂家 开发新能源汽车；同时，燃油汽车的排放还带来了严重的环境问题，世界各国 环保的呼声高涨，制定了一系列十分严格的汽车排放法规，要求生产厂家开发 无污染和超低污染的汽车，以减少汽车排放，为了满足能源和环保的要求，各 种各样的电动汽车脱颖而出【。 电动汽车主要包括纯电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) 、混合动力电动汽车 ( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，h e v ) 和燃料电池汽车( f u e lc e l lv e h i c l e ，f c v ) 。纯电动 汽车完全由车载电池提供电能，依靠电动机驱动整车，具有零排放、低噪声、 结构简单、易于维护等优点，但是，由于蓄电池是纯电动汽车的唯一动力能源， 而一般蓄电池的能量密度与汽油相差极大，所以纯电动汽车的性能无法与传统 的燃油汽车相比较，而且电动汽车一次充电的行驶里程短、初始价格高、充电 时间长也是使用受到限制的主要障碍。这些问题都制约了纯电动汽车的产业化 发展。燃料电池汽车具有低排放、高效率等特点，使用的燃料来源广泛，例如 巴西使用甘蔗制造的乙醇燃料产量高，成本低，尤其排放物仅为二氧化碳和水， 所以燃料电池汽车为各大汽车生产厂家所重视，被誉为2 l 世纪改变人类生活的 十大高科技之首，但产业化仍需较长的时间。这种情况下，混合动力电动汽车 就成为一个两全其美的解决途径，在世界范围内成为新型汽车开发的热点【2 ，一1 。 1 2 混合动力汽车及其驱动电机概述 1 2 1 混合动力汽车及其混合形式 混合动力电动汽车( h e v ) 是指具有两个或两个以上动力源，包括内燃机驱 动、电动机驱动，符合汽车道路交通安全法规的汽车，它是介于内燃机汽车和 电动汽车之间的一种独立车型。一般意义上混合动力汽车是指同时安装了发动 哈尔滨理工火学工学硕上学位论文 机( 柴油机、汽油机) 和电动机，并且以蓄电池组作为电能存储装置的车辆【4 5 1 。 与纯电动汽车和内燃机汽车相比，混合动力电动汽车具有如下的优点： 1 ) 由于有电动机作为辅助动力，电池的数量和重量可减少，因此汽车自身 重量减轻； 2 ) 汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平； 3 ) 可使发动机在最佳的工况区稳定运行，避免或减少了发动机变工况下的 不良运行，使得发动机的排污和油耗大为降低； 4 ) 在人口密集的市区、居民区等车速不高，停停开开的地段行驶，可用纯 电动方式驱动车辆，实现零排放： 5 ) 由于电动机可提供辅助动力，因此可配备功率较小的发动机，并可通过 电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低汽车的能量消耗和排污。 根据结构和驱动模式的不同，混合动力汽车的传动系统可分为串联式、并 联式和混联式三种混合形式，相应的混合动力电动汽车称为串联式混合动力电 动汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，s h e v ) ，并联式混合动力电动汽车( p a r a l l e l h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) ，混联式混合动力电动汽车( p a r a l l e l s e r i e sh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，p s h e v ) 1 6 , 7 1 ： 1 ) 串联式混合动力汽车利用发动机动力发电，从而带动电动机驱动车轮。 其基本结构是由电动机、发动机、发电机、h v ( 镍氢) 蓄电池、电机控制器组 成。如图1 1 所示，系统中，发动机仅仅作为原动机拖动发电机，发电机所发 出的电能供给电动机，再由电动机驱动汽车行驶。当发动机发出的功率超过汽 车行驶所需要的功率时，发电机发出的部分电能向h v 蓄电池充电，来延长混 合动力电动汽车的行驶里程。另外h v 蓄电池还可以单独向电动机提供电力驱 动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下纯电动运行。 图1 - 1 串联式混合动力汽车结构简图 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo f s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 2 ) 并联式混合动力汽车使用电动机和发动机两种动力来驱动车轮。其基本 哈尔滨理工人学1 = 学硕上学位论文 结构是由电动机、发动机、h v 蓄电池、电机控制器和扭矩耦合装置组成。如图 1 2 所示，并联式混合动力汽车主要由发动机和电动发电机两部分动力总成组 成，可由发动机和电动机共同驱动或单独驱动。汽车起动时，电动机和发动机 能够同时提供驱动力矩，汽车速度达到发动机起动转速后，由发动机单独驱动 汽车。 与串联式混合动力汽车相比，并联式混合动力汽车没有单独的发电机，电 机具有电动和发电双重功能，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，能量的 利用率相对较高，燃油经济性好。并联式混合动力系统更接近传统汽车的驱动 系统，可以在传统内燃机汽车动力传动系统的基础上进行改造，成本比较低。 。熊：。= = ：曩：、；”、。二、。、”l l 苎苎竺! h 兰竺兰卜一 扭 一l 车 l 矩 耦 h v 电 厶 口 蓄八机 导= 刽电动发电机卜 装 电 控 置 池 制 屈 ，：z 竹) ， 。1 j ；j 舟 器 链纛瑟糍蕊：；：；：；：= ：k = = = = = = ：。 图1 - 2 并联式混合动力汽车结构简图 f i g i - 2s t r u c t u r eo fp a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 3 ) 混联式混合动力汽车利用电动机和发动机这两个动力来驱动车轮，同时 电动机在行驶当中还可以发电。根据行驶条件的不同，可以仅靠电动机驱动力 来行驶，或者利用发动机和电动机驱动行驶。另外还安装有发电机，所以可以 一边行驶，一边给h v 蓄电池充电。如图1 3 所示，其基本结构由电动机、发 动机、h v 蓄电池、发电机、动力分离装置、电机控制器组成。利用动力分离装 置将发动机的动力分成两份，一部分用来直接驱动车轮，另一部分用来发电， 给电动机供应电力和h v 蓄电池充电。 混联式混合动力系统充分发挥了串联式和并联式混合动力系统的优点，在 转矩分配和功率流的控制上有更大的灵活性，能实现发动机、发电机、电动机 的优化匹配。混合动力汽车的混联式驱动方式在结构上保证了混合动力汽车在 复杂行驶工况下的最优工作状态，能实现低排放、低油耗的最佳控制。 与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，对动力复合装置的要求更 高。辊联式结构中还需要复杂的控制系统，提高了制造成本。目前的混联式结 构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。丰田公司f r i u s 车的混合动力 系统被公认为目前最先进、最成功的结构。 哈尔滨理工火学工学硕士学位论文 图1 - 3 混联式混合动力汽车结构简图 f i g 1 3s t r u c t u r eo fp a r a l l e l s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e 综上所述，并联式混合动力系统的控制部分和机械传动部分较之混联式相 对简单，其能量转换效率又比串联式高很多，经过以上分析比较后，本文采用 的是并联式混合动力系统，在此系统中，当汽车在起步阶段时，电机单独工作， 为纯电机驱动模式；当汽车低速运行时，发动机单独工作，并且多余的能量可 以给蓄电池充电；当汽车高速运行时，发动机和电机同时工作，电机提供助力： 而当汽车制动时，电机作为发电机给蓄电池充电。 1 2 2 混合动力汽车电机驱动系统的要求 混合动力电动汽车( h e y ) 的运行工况比较复杂，要求电机驱动系统经常运行 于非额定状态，以适应汽车在各种复杂工况下的运行需要。图1 4 所示为混合 动力汽车电机控制系统特性曲线，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，转矩随着转速的提高呈双 曲线衰减。对于城市工况和山区旅游用汽车，经常处于起动、停车，加速、减 速的状态，转速小，但要求输出转矩的变化较大，需要克服惯性阻力，因此这 种工况下的汽车绝大多数时间运行于恒转矩区中；而对于行驶于高速公路上的 汽车而言，汽车行驶比较平稳，车速高，没有特别大的加、减速情况，转矩消 耗比较小，主要用来克服行驶阻力，大多数时间运行于恒功率区。混合动力汽 车用电动机传动控制系统就要满足这种机械特性【引。 根据上述需要和现有的研究，可以将并联式混合动力汽车电机驱动系统的 主要要求归纳如下： 1 ) 基速以下输出大转矩，以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停 等复杂工况，基速以上为恒功率运行，以适应最高车速、超车等要求； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图1 _ 4 混合动力汽车电机控制系统特性曲线 f i g 1 - 4c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f t h eh e vm o t o rc o n t r o ls y s t e m 2 ) 具有较宽的转速范围包括恒转矩和恒功率工作区域； 3 ) 全转速运行范围内的效率最优化，以提高车辆的续驶里程； 结构坚固、体积小、重量轻、良好的环境适应性和高可靠性； 5 ) 电动机具有高效率、低损耗，并在汽车减速时实现再生回馈制动，以达 到节能的效果； 6 ) 低成本及大批量生产能力。 1 2 3 混合动力汽车用电机的比较与选择 选用小型轻量的高效电机，对目前电池容量较小，持续行驶里程较短的电 动车现状显得尤为重要。目前，可用于混合动力电机驱动系统的常见电机主要 有：直流电机、感应电机、永磁同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等几 种0 1 。 1 直流电机驱动系统在电力驱动方面，直流电机( d c m ) 一直有着卓越的性 能，速度控制比较简单，控制技术成熟。所以在早期的电动汽车上多采用直流 电动机，特别是在公共运输汽车上。然而，直流电机驱动系统体积大，效率低， 可靠性低，需要经常维护，特别是电机带有机械换向器( 电刷) 等原因，限制了电 动机的过载能力和速度的进一步提高，即使有了一些光滑接触等改进，还是存 在着较大的问题。此外晶体管功率半导体的发展使交流感应电动机和永磁电动 机不断得到实践并趋向成熟，在驱动领域有取代直流电动机的趋势，所以在新 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 研制的混合动力电动汽车上已经基本不用直流电动机。 2 感应电机驱动系统感应电机( i m ) 是应用最广、生产量最大的电机，在市 场上所有的中小型电机中约占7 5 。这种电机结构简单，牢固，可靠性高，对 环境的适应性好，成本和维护费用低，转速范围可达1 2 0 0 0 - 1 5 0 0 0 r m i n ，效率 较高，与同等级的直流电动机相比，体积可减小一半，另外，其驱动技术也最 成熟，因此，感应电动机被广泛的用作混合动力驱动电机。例如，美国g m 公 司的e v i 采用功率为1 0 2 k w 的m ，菲亚特公司生产的t e m p r a 并联式混合动 力电动汽车采用额定功率为2 1 2 k w 的i m ，v o l v o 生产的串联式混合动力电动 汽车采用2 台额定功率为2 0 k w 的i m 。国内也有不少公司采用i m 作为电动汽 车驱动电机，如一汽解放客车c a 6 1 1 0 h e v 等。但感应电动机也有很多缺点， 例如损耗高，需要对电机不断冷却，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，这都对感应电机在混合动力电动汽车中的应用有很 大的影响。 3 永磁同步电机驱动系统永磁同步电机( p m s m ) 在结构上与无刷直流电动 机( b d c m ) 相似，不同之处在于它采用正弦波驱动，所以在具备b d c m 优点的 同时，还具有低噪声，体积小，功率密度大，转动惯量小，脉动转矩小，高控 制精度的特点，特别适用于混合动力电动汽车电机驱动系统，以达到减小系统 体积，改善汽车加速性能和行驶平稳度等目的。因此，p m s m 受到了全世界各 大汽车生产厂家的重视，特别是日本在电动汽车用的p m s m 及其控制方法上开 展了很多研究，并取得了显著的成果。著名的丰田p r i u s 混联式混合动力电动汽 车采用了额定功率为3 3 k w 的p m s m ，日本n i s s a n 公司生产的a l t r a e v 使用了 额定功率为6 2 k w 的p m s m ，h o n d a 公司的混合动力电动汽车i n s i g h t 采用了额 定功率为1 0 k w 的p m s m 等等【“1 。 4 无刷直流电机驱动系统通过改变永磁直流电动机定子和转子的位置，就 可得到永磁无刷直流电动机。“直流 并不指直流电动机，实际上，这种电动 机采用交流方波供电，因此也称为永磁无刷方波电动机。这种电动机最明显的 好处是去掉了电刷，从而也排除了由电刷引起的许多问题；另一个优点是能产 生较大的转矩，因为它的方波电流和磁场是垂直的。而且，这种无刷结构使电 枢绕组具有更代表性的区域，由于通过整个结构的热传导有了改善，电负荷的 增加可产生更高的功率密度。 5 开关磁阻电机驱动系统开关磁阻电动机( s r m ) 作为一种新型的电动机 越来越受到人们的注意，并被认为是混合动力电动汽车驱动电机中最有潜力的 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 电机之一。它具有很多优点，例如：结构简单牢固，没有换向器，转子上没有 绕组和永磁体，只在定子上有集中绕组，维护修理容易，成本低，调速范围宽， 转速可高达15 0 0 0 2 0 0 0 0 f f m i n ，控制灵活，并能故障运行等。s r m 本身可以运 行于极宽的恒功率区，转矩一速度特性适合于电动汽车，而且在很广的范围内 保持高效率，更加适合电动汽车动力性能要求。但s r m 运行时噪声、转矩纹波 大，强非线性，特别是功率变换器的结构复杂，过多的电流波动和电磁干扰噪 声等严重的影响了它的运用，且控制方法还不够成熟，因此目前的电动汽车上 应用较少。霍顿汽车公司的e c o m m o d o r e 、东风汽车的e q 6 1 1 0 h e v 公交车和 二汽集团开发的e q 6 6 9 0 型电动汽车采用s r m 。 根据以上几种电机驱动系统的介绍，结合电动汽车驱动电机的要求，可以 看到，永磁同步电机的控制相对感应电机简单，而且有附加的磁阻转矩，恒功 率区调速范围更宽。适用于感应电机的先进控制技术也同样适用于永磁同步电 机。在车体有限的空间里，永磁电机可以做到较高的功率密度且结构简单，工 作稳定。加上我国永磁材料丰富，已开发出高剩磁密度和高矫顽力的永磁材料 应用于电机。所以，本论文采用永磁同步电机作为混合动力汽车驱动电机进行 研究【1 2 1 。 1 3 本文的主要研究内容 课题来源于黑龙江省高科技项目中，由实验室同哈飞汽车合作承担的混合 动力汽车项目，以哈飞赛豹汽车为原型进行改造，核心内容是混合动力汽车电 机驱动系统中电机控制器的研究。本论文的主要研究内容如下： 1 根据混合动力汽车电机驱动系统用电机的要求，确定永磁同步电机作为 本系统的驱动电机，并在永磁同步电机数学模型的基础上，给出永磁同步电机 常用的控制策略，其中重点对最大转矩电流和最大输出功率弱磁控制进行了分 析，最终采用两种控制方式相结合作为驱动电机的控制策略； 2 在m a t l a b l s i m u l i n k 仿真平台上建立永磁同步电机矢量控制系统的仿真 模型，结合空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术，对闭环控制系统进行仿真研究， 为电机驱动系统控制器的实现提供理论依据； 3 根据混合动力汽车车辆的电气环境，设计了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 为核心控 制芯片的混合动力汽车电机控制器的软硬件，并对整个系统进行调试，为混合 动力汽车的进一步性能优化提供了一些参考依据。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章混合动力汽车用永磁同步电机的矢量控制 2 1 永磁同步电机的结构及特点 永磁同步电机的定子结构和普通的异步电机相似，主要区别在转子结构上。 永磁同步电动机的转子结构按定、转子的内外关系来看，可分为外转子结构和 内转子结构。外转子永磁同步电机除结构与常规永磁同步电机有异外，其他均 相同，所以在此仅对常用的内转子结构讨论。而对通常使用的内转子结构而言， 又可分为三种：表面式、内置式和爪极式，由于爪极式结构通常只用于低性能 的永磁同步电动机，这里也不予赘述，以下主要介绍表面式和内置式两种转子 结构的永磁同步电机。 2 1 1 表面式转子结构 表面式转子结构中，永磁体通常呈瓦片状，并位于转子铁心的外表面，永 磁体磁极的磁通方向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般都套以 保护作用的非磁性圆筒或在永磁磁极表面包以无纬玻璃丝带作保护层。表面式 转子结构又分为凸出式和插入式两种，如图2 1 所示，对于采用稀上永磁材料 的电机来说，由于永磁材料的相对可逆磁导率接近1 ，所以表面凸出式转子在电 磁性能上属于隐极结构；而表面插入式转子由于相邻两磁极之间有磁导率很大 的铁磁材料，所以在电磁性能上属于凸极转子结构。该结构因转子表面无法安 放起动绕组，故无异步起动能力，不能用于异步起动永磁同步电动机【1 3 1 钔。 ( )( ) 夕啊弋飞 一、_ a ) 凸出式 ”插入式 图2 - 1 表面式转子结构 f i g 2 1e x t e r i o rr o t o rs t r u c t u r e 1 表面凸出式结构凸出式转子结构的永磁同步电机交直轴磁阻、电感相近， 哈尔滨理下大学工学硕十学位论文 转子惯量小。磁钢与转子铁芯用胶粘接，强度差，为此常用玻璃纤维缠绕磁钢 后用树脂固化。表面凸出式转子结构具有结构简单、制造成本较低、转动惯量 小等优点，而且其永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电机气隙磁密空 间分布趋近于正弦形的磁极形状，可以显著提高电机的性能。 2 表面插入式结构插入式转子结构的永磁同步电机交轴电感、磁导小于直 轴，有较大的磁阻力矩可以利用。表面插入式转子结构可以充分利用转子磁路 不对称所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善， 制造工艺也较为简单，但漏磁系数和制造成本都比凸出式大。 2 1 2 内置式转子结构 内置式结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间( 对 外转子磁路结构则为永磁体内表面与转子铁心内圆之间) 有铁磁物质制成的极 靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或起动作用，动、稳态性能好， 广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电机。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或功率密度，而且易于弱磁扩速。 按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子结构又可分为 径向式、切向式和混合式三种，如图2 2 所示。 瓣 a ) 内置径向式b ) 内置切向式c ) 内置混合式 图2 - 2 内置式转子结构 f i g 。2 - 2i n t e r i o rr o t o rs t r u c t u r e 1 径向式结构径向式转子结构的永磁同步电机的磁钢或者放在磁通轴的非 对称位置上或同时利用径向和切向充磁的磁钢以产生高磁通密度。该结构的优 点是漏磁系数小、转轴上不需采取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机 械强度高、安装永磁体后转子不易变形等。 2 切向式结构切向式转子结构的转子有较大的惯性，漏磁系数较大，制造 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 工艺和成本较径向式有所增加。其优点是一个极距下的磁通由相邻两个磁极并 联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电机极数较多、径向式结构不能提供 足够的每极磁通时，这种结构的优势就显得更为突出。此外，采用该结构的永 磁同步电动机的磁阻转矩可占到总电磁转矩的4 0 ，对提高电机的功率密度和 扩展恒功率运行范围都是很有利的。 3 混合式结构该结构集中了径向式和切向式的优点，但结构和制造工艺都 比较复杂，制造成本也比较高5 。“ 。 2 2 系统电机选型 通过对以上不同结构的永磁同步电机进行比较，本系统选用转子结构为内 置切向式的永磁同步电机作为混合动力汽车的驱动用电机，这种转子结构使得 永磁同步电机具有较大的功率密度和较宽广的恒功率运行范围，有利于提高混 合动力汽车电机驱动系统的控制效果且该电机采用集中式绕组，由于端部较 短，缩小了径向尺寸，方便在混合动力汽车有限的车体空间内进行安装，该电 机内部结构如图2 - 3 所示。 图2 - 3 系统用电机结构图 f i g2 - 3s t r u c t u r eo f m o t o rf o r t h es y s t e m 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 3 永磁同步电机的数学模型 由于永磁同步电机( p m s m ) 的永磁体和绕组，绕组和绕组之间的相互影响， 电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，建立精确的数学模型是很 困难的。为了简化p m s m 的数学模型，我们通常作如下的假设【，7 1 ： 1 ) 认为磁路是线性的，可以用叠加原理进行分析，磁路饱和、磁滞和涡流 的影响都忽略不计： 2 ) 定子绕组完全相同并且三相对称，各相绕组轴线相差1 2 0 。； 3 ) 当定子绕组电流为三相对称正弦波电流时，气隙中只产生正弦波分布的 磁势，无高次谐波分布； 4 ) 永磁体在气隙中产生的磁势为正弦波分布，无高次谐波，即电机定子的 空载电势为正弦波。 永磁同步电动机的转子是永磁体励磁，转子磁链矢量与转子磁极的位置一 致，通常在d q 转子坐标系下研究永磁同步电机的特性，因此，以下给出的是永 磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型。此时，选择永磁体基波励磁磁场轴线 为d 轴( 直轴) ，顺着转子旋转方向超前d 轴9 0 。电角度为q 轴( 交轴) ，d q 轴系 以电角速度国随同转子一道旋转，它的空间坐标以d 轴与a 轴间的电角度口来 确定【l s 】。 k i l l 叮 夕弋。 图2 _ 4 永磁同步电动机矢量图 f i g 2 - 4v e c t o rd i a g r a mo fp m s m 图2 - 4 中，d q 轴上的分量可由三相定子绕组经坐标变换得到，即进行三相 哈尔滨理工火学工学硕士学位论文 静止坐标系a b c 到旋转坐标系d q 的变换，可得d q 坐标系下的定子电压方程为 “d2 尺，屯+ p y d 一力y 9 ( 2 - i ) 卜g = r j i g + p y 口+ t o g a d q 坐标系下的磁链方程为 髀2l 舅d i 岬( 2 - 2 ) 慨= 厶 式中：炸为转子永磁体在d q 轴的磁链；u d 、u 。分别为d 、q 轴的电压；i a 、i ， 分别为d 、q 轴的电流；、i c ，。分别为d 、q 轴的磁链；厶、上。分别为d 、q 轴的电感；p 为微分算子：r ，为定子电阻。 d q 坐标系下的转矩方程为 疋= i 3p 。f 。一y 。) ( 2 - 3 ) 将磁链方程代入可得 。 疋= i 3 风p ，+ g d 一三。k 】( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) 中，中括号内第一项是由定子电流与永磁体励磁磁场相互作用产生 的电磁转矩，称为励磁转矩：第二项是由转子凸极效应( 对于内置式的p m s m ， 一般l d ，- 直轴电流 、。 、 a ) 交、直轴电流随转矩变化的曲线b ) 功率因数随转矩变化的曲线 图2 7 最大转矩电流控制的仿真图 f i g 2 - 7s i m u l a t i o ng r a g ho f m a x i m u mt o r q u e - p e r - a m p e r ec o n t r o l 2 4 3 恒磁通控制 恒磁通控制就是控制定子电流，使转子永磁体磁链辨与定子磁链纵的幅值 满足 i f ，= ( 2 1 7 ) 又定子磁链y ，满足 缈，= y ；+ y ；= f) 2 + 乜口f 口) 2( 2 1 8 ) + l , t i d缈，2 、y i ；+ y i2 、妒fj 。+ 妊口f 口厂 ( 2 。 故 杪，= f + 厶屯) 2 + ( l q i q ) 2 ( 2 1 9 ) 这里另引入端电压比k ，定义k 为负载时的端电压与空载时的端电压之比， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 在p m s m 的简化数学模型f ，即由式( 2 7 ) 司得 k = u 。撕= 何可声，= 厄i 习叼肜， ( 2 2 0 ) 端电压比k 与逆变器的容量密切相关，当k 较大时，要求逆变器有输出较 高电压的能力，否则电流控制器将饱和，最高转速受到限制【2 3 】。 在恒磁通控制策略中，显然有 k = 虬= 1 ( 2 2 1 ) 联立式( 2 4 ) 和式( 2 1 9 ) 有 疋= 三p 。陟r + 仁d 一三，k 】( 2 ，2 2 ) k = 瓜忑习叼 可以求出电流控制策略：髂羔曷，通过仿真，得到如下慨 交轴电流 。 ，一 夕 直轴电流 ， 、- 、 时，电机弱磁控制运行于转速国时的定子电流矢量轨迹为 屯一等+ 其与电流极限圆交点的电流矢量为 一l ；，t l d + i 。：4 i , l 习 ，= 一艺 嚣一三2 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 而当缈f l d l i m 时，弱磁控制时的电流矢量轨迹和及其与电流极限圆交点 的电流矢量分别为 和 屯一等一 vc l d 一 乃一层 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 在某一指令转速下，电流矢量按式( 2 2 3 ) 或式( 2 2 5 ) 取值，可使电机的输出 功率最大( 电机的电压、电流均为极限值) ，达到指令转速后，在速度控制器的作 用下使电流矢量沿电机的电压极限椭圆向使电流矢量幅值减小的方向移动，也 即按式( 2 - 2 2 ) 或( 2 2 4 ) 取值，最终稳定于电磁转矩和负载转矩达到平衡的某电流 矢量。 2 5 2 最大输出功率弱磁控制 为了使混合动力汽车在高速时输出最大的功率，通常要对p m s m 进行最大 输出功率弱磁控制，而我们知道，在一定转速时，输出最大转矩必然有最大功 率【2 7 1 。故最大功率弱磁控制的算法是根据电磁转矩方程，满足电压极限方程的 条件极值下导出，根据拉格朗日极值定理，得到如下辅助函数 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 日= 三p 。陟，+ g d 一三。) f d q + 名( “胁一石z _ ：i ：= 云了r 砑) ( 2 - 2 6 ) 式中：五为拉格朗日算子。对上式求偏导，并令其等于零可得 筹2 批卜舞揣2 。 薏2 汕+ h “丽丽2 c o l 2 q i 丽q = 。p 2 7 ， 瓦o h = u l i m - - ( o 瓜瓦丽= o 可以看到要使式( 2 2 7 ) 中的1 式成立必须满足 丽2 c o 荡( y f + 万l d i , t 丽) l d 。 ( 2 - 2 8 ) + 岛岛) 2 + 仁 ) 2 即炸+ 幺i a 0 ，由于一= ，因此上式转化为- l d i ，0 ，即 沙f l d f i j l i i 。 且蛾2 翊肿出。，它们是国的溅即阼羔锚，因此在 少，l d i 胁时，只要沿着上述电流轨迹控制，就可以得到最大的输出功率。 图2 - 9 所示为满足最大转矩电流和最大输出功率弱磁的定子电流控制轨 迹，分以下两种情况。 当l d i ，i l i l ( 对应于图a ) 时，其中最大功率输出轨迹与电流极限圆相交 于b 点，此点对应的速度为c o ，这是在电压极限制约下，电机以最大功率输出 的最低速度值。当国 ，时，若按上述规律控制电流矢量，则可获得最大功率 输出。 当l d f l i m ( 对应于图b ) 时，最大功率输出轨迹将落在电流极限圆外边， 在这种情况下，最大功率输出控制是无法实现的，这与上述方程中的分析结果 是一致的。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 最大转矩 ：一 ： 孓。 d 最大转射 蒸蔫关 ： | 、。 a ) 少f l d l 。l i m b ) y f l d i l i i l l 图2 - 9 满足最大转矩电流和最大输出功率的定子电流控制轨迹 f i g 2 9t r a c ko f s t a t o rc u r r e n tu n d e rm a x i m u m t o r q u e - p e r - a m p e r ea n dm a x i m u mp o w e r 2 6 本章小结 d 本章首先分析了永磁同步电机的结构及特点，并结合具体项目要求，给出 了本系统实际用电机。 其次，在建立永磁同步电机数学模型的基础上，给出了三种基速以下永磁 同步电机常用的电流矢量控制方法并进行分析、比较，选择最大转矩电流控制 策略作为基速以下的电流控制策略，以满足混合动力汽车低速时输出大转矩的 要求；基速以上，比较了普通弱磁控制和最大输出功率弱磁控制两种控制策略， 并选择最大输出功率弱磁控制作为基速以上的电流控制策略，满足混合动力汽 车在高速时能输出较大功率的要求。 采用以上两种控制策略相结合的控制方式，既能有效的控制永磁同步电机， 又能符合混合动力汽车的特定要求。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章混合动力汽车电机驱动系统的 m a t l a b s i m u l i n k 仿真 第2 章已经对永磁同步电机建立了数学模型，并提出了在基速以下采用最 大转矩电流的电流控制策略，基速以上采用最大功率弱磁的电流控制策略。本 章在以上理论研究的基础上，采用m a t l a b s i m u l i n k 建立了混合动力汽车用永磁 同步电机系统的仿真模型，并仅对基速以下屯= 0 的控制策略进行仿真，对于表 面式的p m s m ，可以简单的实现最大转矩电流控制。 3 1 电机驱动系统的整体仿真模型 基于m a t l a b s i m u l i n k 环境下的永磁同步电机矢量控制系统仿真模型如图 3 1 所示。仿真系统主要包括永磁同步电机模块、逆变器模块、坐标变换模块、 s v p w m 控制算法模块及测量模块。其中电机模块、逆变器模块和测量模块均 采用s i m p o w e r s y s t e m s 中自带的模块，通过修改该模块的参数使其与实际电机 相符，其他模块则利用s i m u l i n k 中的基本模块分别构建各个子系统，通过封装 技术将它们封装起来 2 8 , 2 9 i 。 图3 1 永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型 f i g 3 - 1s i m u l a t i o nm o d e lo fp m s m b a s e do nv e c t o rc o n t r o ls y s t e m 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 3 2 坐标变换模块的仿真 在功率不变的条件下，根据磁动势相等的原则，三相绕组产生的旋转磁场 可以用两相绕组来等效。c l a r k e 变换是三相a b c 坐标系到两相筇o 坐标系的变 换，即在磁动势不变的前提下，三相绕组和两相绕组电流的关系，即 将屯+ + f 。= o 代入， 屯= 詈( 一圭一吾t ) = 去也一i c ) ( 3 - 1 ) 乇= ( f 口+ + t ) 而p a r k 变换是两相静止筇0 坐标系到两相旋转由0 坐标系的变换，即 故c l a r k e 变换、p a r k 变换的仿真模型分别如图3 2 、3 3 所示。 uo)兰 莎 g a i n 眵 g a i n l 图3 - 2c l a r k e 变换仿真模型 f i g 3 2s i m u l a t i o nm o d e lo fc l a r k e t r a n s f o r m a t i o n ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 曙 图3 - 3p a r k 变换仿真模型 f i g 3 3s i m u l a t i o nm o d e lo fp a r k t r a n s f o r m a t i o n k 一 瓴 屯压i n = = k 吻 ，j、【 得 口妇 g 巾q 鲥坩 宝出 c 口 ki = = b0 山 固恤 哈尔滨理下大学工学硕十学位