（控制科学与工程专业论文）混合动力汽车用永磁同步电动机驱动系统的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 混合动力汽车( h e v ) 是传统燃油汽车和纯电动汽车相结合的新车型，它采用 内燃机和电机作为动力源，具有低污染、低油耗的特点，是当前解决节能、环保 问题切实可行的过渡方案。而电机驱动系统作为混合动力汽车中的主要部分，在 混合动力汽车中起着至关重要的作用。论文以混合动力汽车为研究对象，对混合 动力汽车的电机驱动系统进行了研究。 本论文的主要研究工作围绕混合动力汽车用永磁同步电动机驱动系统展开， 在永磁同步电机数学模型的基础上，结合对混合动力汽车电机驱动系统的要求， 提出了最大转矩电流与恒功率弱磁控制相结合的矢量控制策略：当汽车处于启 动、加速、爬坡等工况下时，采用最大转矩电流控制策略，满足混合动力汽车低 速时输出大转矩的要求。当汽车高速行驶或短时超车时，在逆变器容量不变的条 件下，要尽可能的使电机具有更加宽广的调速范围，这里采用了恒功率弱磁控制 策略，满足了混合动力汽车在速度较高时能输出较大功率的要求。 高效率的永磁同步电机以及与之相匹配的控制系统是混合动力汽车的关键技 术之一。本文中控制系统的主控芯片采用了t i 公司生产的d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ， 由于它功能强大，i o 资源丰富，并且支持广泛用于汽车电控的c a n 通讯。所以， 非常适合于混合动力汽车的实时控制。研究了混合动力汽车的动力总成控制系统 的总体结构，以d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心构建了混合动力总成控制系统的硬件 系统。同时设计了c a n 总线模块，串行通信模块等。 详细介绍了两种基于旋转变压器的转子位置速度检测方法，并对这两种方法 的利弊进行了比较。 最后本文给出了混合动力汽车的电机驱动系统硬件电路、软件流程和实验数 据。从实验所测数据可以看出，本文所设计的永磁同步电机矢量控制系统用于混 合动力汽车电机驱动系统中是有效的，基本符合电机驱动系统的要求。 关键词：混合动力汽车；永磁同步电机：矢量控制；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 i i 混合动力汽车用永磁同步电动机驱动系统的研究 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 ft h et r a d i t i o n a lf u e l v 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 tu s e si n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sa n dm o t o r a sp o w e rs o u r c e a tt h es a m et i m e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wp o l l u t i o na n dl o wf u e l c o n s u m p t i o nm a k e si t t ob eaf e a s i b l es o l u t i o no fs o l v i n gt h ee n e r g yc r i s i sa n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o np r o b l e m b e i n gam a i nd e p a r t m e n to fh e v , m o t o rd r i v i n g s y s t e mp 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 i nt h i sp a p e r ，h e vm o t o rd r i v e s y s t e mh a sb e e ns t u d i e d i n t h i st h e s i s ，t h em a i nr e s e a r c hw o r kf o c u so nh e vw i t hp 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 ( p m s m ) v e c t o r c o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fp m s ma n dc o m b i n e dt h eh e vm o t o rd r i v es y s t e mr e q u i r e m e n t s ，t h e nm a x i m u m t o r q u e c u r r e n tc 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 lh a v eb e e np r o p o s e d w h i l et h e c a r i ss t a r t i n g ，a c c e l e r a t i n ga n dc l i m b i n g ，t h em a x i m u mt o r q u e c u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s h a v eb e e nu s e di no r d e rt om e e tt h eo u t p u tr e q u i r e m e n t so fal a r g et o r q u e w h e nt h e c a rh a sah i g h s p e e do ro v e r t a k e ，f l u x - w e a k e n i n gc o n t r o lh a sb e e nu s e dt om e e tt h e h e v so u t p u tr e q u i r e m e n to fh i g hp o w e ra th i g hs p e e d ah i g he f f i c i e n c yp m s ma n dag o o dc o n t r o ls y s t e ma r et h ek e yt e c h n o l o g yo f h e v i nt h i sp a p e r ，t h em a i nc h i po ft h i sd r i v es y s t e mi st m s 3 2 0 f 2 8 12 b e c a u s eo fi t s p o w e r f u lf u n c t i o n ，p l e n t yo fi o ，a n ds u p p o r to ft h ec a nc o m m u n i c a t i o nw h i c hi s w i d e l yu s e di na u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r 0 1 ，s ot h i st y p eo fc h i pi sv e r ys u i t a b l ef o r r e a l t i m ec o n t r o lo fh e v t h i sp a p e rs t u d i e st h ep o w e r t r a i nc o n t r o ls y s t e mo fh e v a n dh a sb u i l tah a r d w a r es y s t e m i th a sa l s od e s i g n e dac a nb u sm o d u l e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，e t c 、 f i n a l l y ，t h eh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l em o t o rd r i v es y s t e mh a r d w a r e ，s o f t w a r e ， p r o c e s s e sa n de x p e r i m e n t a ld a t ah a v eb e e no b t a i n w e c a ns e et h ed r i v es y s t e mi s r e a s o n a b l ef r o mt h ed a t ao ft h i se x p e r i m e n t i tb a s i c a l l ym e e t st h er e q u i r e m e n t so ft h e h e v sd r i v es y s t e m k e y w 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 ；t m s 3 2 0 f 2 8 12 i i l 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，也是可持续发展的重要行业，汽车的 普及是人民生活水平提高的具体表现之一。传统燃油汽车尾气所造成的空气质量 日益恶化、温室效应和石油资源的渐趋匮乏，越来越恶劣的自然环境和能源的短 缺，迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。因此，研究汽车节能、环保的新技 术是本世纪汽车工业的主要发展方向。 “十五”期间，我国启动了“电动汽车重大科技专项”，经过企业院所的联合攻 关，我国已经在燃料电池发动机、动力蓄电池、车用电机和多能源动力总成控制 和辅助动力系统等技术领域取得重大突破。电动汽车被认为是我国取得自主知识 权、形成新兴产业经济群体的战略领域之一。 目前，全球汽车工业飞速发展，燃油汽车的产量、销售量和保有量每年都实 现了一定程度的增加。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 ) 、燃料电池汽车( f u e l c e l lv e h i c l e ，f c v ) 和混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，h e v ) 。纯电 动汽车是以蓄电池作为唯一动力源的电动汽车，第一辆纯电动汽车诞生于18 8 1 年， 早于传统的燃油汽车。它具有零排放、低噪声、结构简单、易于维护等优点。但 是，由于纯电动汽车的唯一动力能源是蓄电池，而一般蓄电池的能量密度与汽油 相差甚远，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； 在技术上也难以解决废旧电池二次污染、回收困难的问题。因此，虽然目前世界 先进水平的纯电动汽车与燃料电池汽车性能不相上下，但是上面这些问题都制约 了纯电动汽车的产业化发展心，。 燃料电池汽车是以燃料电池作为汽车动力源的电动汽车。燃料电池是一种新 型的电化学能量转化装置。与传统的电池概念不同，燃料电池不需要充电，只需 要将燃料直接送入电池系统就能源源不断地将燃料的化学能直接转变成电能。不 仅高效、低噪音，而且无污染、无二氧化碳排放，使用的燃料来源广泛，例如巴 混合动力汽车用永磁同步电动机驱动系统的研究 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。由 于氢在地球中的蕴藏十分丰富，氢气来源极其广泛，可从多种物质中提取，是一 种可再生的能源资源，取之不尽，用之不竭，可以通过石油、天然气、甲醇、甲 烷等进行重整制氢；也可以通过电解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。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，但由于其成本高昂，可靠性和运行寿命较低，以及氢燃料基础设施缺乏 等因素，无法在短期内取代传统动力汽车，所以产业化仍需较长的时间叫3 。 根据国际电工委员会电动汽车技术委员会的建议，对混合动力汽车的定义为： 有多于一种能量转换器来提供驱动力的混合型电动汽车。总之，混合动力汽车是 传统内燃机车辆与电动车辆的有效组合，它继承了电动汽车低排放的优点，又发 扬了石油燃料比能量和比功率高的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃 油经济性，增加了电动汽车的续驶里程。因此，许多国家的政府和大型汽车公司 加大了对混合动力电动汽车的研究和开发力度，并取得了卓有成效的成果。可以 相信，在纯电动汽车的关键技术之一电池技术没有取得根本性突破以前，使用混 合动力电动汽车是解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一哺3 。 丰田公司于l9 9 7 年推出了世界上第一款大批量生产的商业用途的混合动力车 型p r i u s 混合动力轿车。丰田混合动力汽车的动力中枢是混合动力系统( t h s ) ， 它使用汽油机和电动机两种动力，通过串联与并联相结合的方式进行工作，达到 了低排放的效果。2 0 0 3 年和2 0 0 5 年，丰田公司又相继推出了采用新一代t h si i 和 t h s i i i 型p r i u s 轿车，使混合动力汽车的发展向前迈进了一大步。截止至u 2 0 0 5 年底， p r i u s 轿车全球销量已超过5 0 万辆。与此同时，本田、福特和戴克等公司都研发出 了他们的混合动力车型哺1 。 目前，我国开发的混合动力汽车采取了各具特色的混合动力结构方案，拥有 自主知识产权，节油率可达3 0 以上。2 0 0 5 年1 2 月3 日，东风电动车公司首款自 主研发的东风混合动力电动公交车在国内率先实现商业化销售；2 0 0 9 年5 月， 该公司自主研制生产的e q 6 1 10 h e v 混合动力电动城市客车荣获国家科技部 颁发的国家自主创新产品证书；2 010 年2 月1 日，一汽客车有限公司提供的5 0 辆 气电混合动力公交客车正式交予长春公交集团。 1 2 混合动力汽车的分类 混合动力汽车的实现形式多样化，根据内燃机是否与驱动轮有直接的机械连 接，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 lh 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 ls e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，p s h e v ) 。 硕士学位论文 ( 1 ) 串联式混合动力汽车( s h e v ) 发动机与驱动轮之间不存在直接的机械连 接，发动机始终工作在最佳工况点附近，带动发电机发电。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。采用“串联”的方式组 成s h e v 的驱动系统，如图1 1 所示。其中s h e v 所用的原动机一般为高效内燃机和 高速燃汽轮机。其优点是发动机的运行独立于车速和道路条件，发动机工作状态 不受汽车行驶工况的影响，能够保持在稳定、高效、低污染的状态下运转，将有 害排放气体控制在最低范围，所以发动机具有良好的经济性和低的排放指标。因 此非常适合于城市中常见的频繁启动、加速和低速运行工况。其缺点是驱动电机 的功率必须是能够克服s h e v 在行驶过程中的最大阻力，驱动电机的功率要求较 大，外形尺寸也较大，质量较重。在发动机发电机驱动电动机系统中的热能电 能机械能的能量转换过程中，能量损失较大，在动力电池组的充、放电过程中也 存在能量损耗，能量转换总的综合效率要比内燃机汽车低口。由于大功率电机以 及高能量电池组在轿车上的布置都十分困难，因此在轿车中很少见。 = = 一机械连接 图1 1 串联式h e v 结构图 ( 2 ) 并联式混合动力汽车( p h e v ) 可以分别独立的使用电动机和发动机两种 动力来驱动车轮。其基本结构是由电动机、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。当汽车在低 速小功率运转时，可用电动机单独驱动车辆，避免发动机工作在高油耗工况。当 汽车在中高速稳定行驶时，此时发动机处于高效率工况，可用发动机单独驱动车 辆，并可利用发动机的盈余功率带动发电机向蓄电池充电。当车辆起步或者加速 时，通过动力合成装置，实现发动机和电动机的联合驱动。车辆制动时，可令电 动机工作在发电机状态，回收部分制动能量，补充蓄电池的容量。其优点是p h e v 只有发动机和驱动电机两个动力总成，比s h e v 的三个动力总成的功率、质量和 体积要小很多；除摩擦损耗外，没有机械能电能机械能的转换过程，能量转换 混含动力汽车用永磁同步电动机驱动系统的研究 总的综合效率要i ：ls h e v 高；发动机基本稳定在高效率、低污染状态下运转。但 是发动机的工况会受至1 p h e v 行驶工况的影响，发动机的有害气体的排放高于 s h e v ；另# j - p h e v 的多能源动力系统结构复杂，布置和控制比s h e v 更加困难1 。 前离合器 圈吲阿婴 三臆叵违一电力连接 l 蓄电池l 一功率转换器 一机械连接i 传 动 系 及 驱 动 轮 图1 2 单轴转矩合成并联式h e v 结构图 ( 3 ) 混联式混合动力汽车( p s h e v ) 是综合了串、并联两种布置方案的优 缺点，具有了最佳的综合性能，但系统组成非常复杂。由发动机、电动发电机和 驱动电机三大动力总成组成。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。其基本结构由电动机、发动机、h v 蓄电池、动力 分离装置、电机控制器组成，如图1 3 所示。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。其优点是p s h e v 可以有多种多样的驱动模式和混合驱动模式供选 择，可以使p s h e v 的节能最佳，有害气体的排放达到“超低污染”；驱动电机可 以给发动机提供额外的辅助动力。因此，p s h e v 的发动机功率可以选择得较小， 燃料经济性匕i , s h e v 要高很多。但是在p s h e v 上需要配备两套驱动系统，发动机 传动系统需要装备离合器、变速器、传动轴和驱动桥等传动总成。另外还有起动 发电机、驱动电机、减速器、动力电池组、以及为多能源动力组合或协调发动机 和驱动电机的专用装置，因而p s h e v 的多能源动力系统结构复杂，总布局比前两 种更加困难；同时，多能源动力的匹配和组合有不同的组合形式，需装配一个复 杂的多能源动力总成控制系统，才能达到高经济性和“超低污染 的控制目标阳1 。 图1 3 单轴转矩合成混联式h e v 结构图 硕十学位论文 1 3 混合动力汽车用电机比较和选择 混合动力汽车驱动系统所用电机的选用原则为：高性能、低自重和小尺寸、 维护方便；高效性，务必使一次充电的续驶里程尽可能的长，尤其是行驶模式 变换频繁的轻负载的情况下，电动机和控制装置的总效率也需要进一步的提高； 低速大转矩情况下的大范围内的恒定输出特性；寿命长以及高可靠性；低噪 声性；成本低廉。另外，对电动机的选用还应综合考虑其控制系统的特点，要 求能实现双向控制，对制动能量可以回收n 训。 目前混合动力电动汽车电机驱动系统的常见电机主要有：直流电机、无刷直 流电机、感应电机、开关磁阻电机、永磁同步电机等几种。 ( 1 ) 直流电机驱动系统 在电力驱动方面，直流电机( d c m ) - - 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s u ) 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同步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，所以在新研制的混合动力电动汽车上 已经基本不用直流电动机凹 1 。 ( 2 ) 无刷直流电机驱动系统 通过改变永磁直流电动机定予和转子的位置，就可得到永磁无刷直流电动机。 应该注意，“直流”并不涉及直流电动机，事实上，这种电动机采用矩形波交变电 流供电，因此也称为永磁无刷电动机。这类电动机最明显的优点是去掉了电刷。 另一个优点是因电流与磁通间的正交相互作用，能产生较大的转矩。此外，这种 无刷结构使电枢绕组可有更大的横截面。与永磁同步电动机不同，这种永磁无刷 直流电动机通常运行配有转轴位置检测器n 引。 ( 3 ) 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l0 2 k w 的i 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 11 0 h e v 等。但感 混合动力汽车用永磁同步电动机驱动系统的研究 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n 3 ，。 ( 4 ) 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1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n ，控 制灵活，并能故障运行等。s r m 本身可以运行子极宽的恒功率区，转矩速度特性 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，因此在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 11 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 3 。 ( 5 ) 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。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。永磁同步电机具有功率密度和转 矩密度高、效率高、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点，采用矢量控制的 驱动控制系统可使永磁同步电动机具有宽广的调速范围。在各种电动车驱动电机 中，永磁同步电动机是主要发展方向之一n 朝。 基于永磁同步电机的混合动力汽车驱动系统的研究开发主要集中在日本、美 国和欧洲等这些发达国家。日本19 6 5 年就开始研制电动车，于19 6 7 年成立了日 本电动车协会。l9 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，其下属的日本富士电子研究所研制的永磁同 步电机可以达到最大功率5 0 k w ，最高转速13 0 0 r m i n 。本田公司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 n l 。除 丰田和本田两大汽车公司外，日本的其他汽车公司和研发部门也非常重视电动车 用永磁同步电机的研究，并研制出了各种功率的电机，而且电机大多采用弱磁控 制，提高了电机的最高转速。欧洲许多发达国家很早就开始了对电动车的研究。 在电动车驱动电机的选择上，不同国家各有侧重：英国、法国偏重于永磁无刷直 流电机，德国偏重于开关磁阻电机。与传统的直流驱动系统相比，法国采用的三 相永磁同步电机主要有功率密度比和转矩密度比高、效率高、可靠性高、维修方 便等优点。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，其最高转 硕士学位论文 速为1 2 5 0 0 r m i n ，最大输出功率3 2 k w 。美国s a t c o n 公司j a m e s h g o l d i e 和 k e v i n e l e r o w r 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，电机效率高n 引。 我国早在2 0 世纪8 0 年代就已提出并着手发展电动车。目前，中科院电工研 究所、哈尔滨工业大学、清华大学、华中理工大学、沈阳工业大学、香港大学等 大专院校与中国一汽集团、东风汽车集团以及上海、北京等地的一些其他生产厂 家合作开发电动车辆，其中很多电动车采用了永磁同步电机作为驱动电机。东风 汽车集团与中科院合作研究的混合动力轿车采用了永磁同步电机。中国一汽的红 旗牌混合动力轿车采用了哈工大研制的永磁同步电机作为驱动电机；郑州华联电 动车辆研究所已研制成功的四人座电动轿车采用了额定功率为l0 k w 的永磁同步 电机，电机过载能力为普通电机4 倍。2 0 0 2 年，哈尔滨工业大学研制了额定功率 2 0 k w 的混合电动车驱动用永磁同步电机。随着永磁材料价格逐步趋于合理，永 磁电机的应用将会进一步向更为广泛应用领域发展n 7 1 。 根据上面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。同时，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，永磁同步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 4 本课题研究的主要内容 本课题所要开展的工作包括： ( 1 ) 根据混合动力电动汽车车用电机的特点和要求，利用现有设备，搭建 1 4 4 v 5k w 永磁同步电机实验台。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，采用最大转矩电流和恒功率弱磁控制两种方式相结合 作为驱动电机的控制策略。 ( 2 ) 根据混合动力汽车电气传动部分的要求，针对永磁同步电机矢量控制， 运用m a t l a b s i m u l i n k 对控制系统进行了仿真，验证其可行性。 ( 3 ) 设计了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心控制芯片的混合动力汽车电机控制系统 的软硬件。 ( 4 ) 逐步调试驱动控制系统的各个子系统和部件，使之能按要求正常工作。 以实验数据、波形和仿真结果为依据，分析弱磁控制对永磁同步电机控制性能的 影响。以及它对混合动力电动汽车电气传动的影响。 混合动力汽车用永磁同步电动机驱动系统的研究 第2 章永磁同步电机的数学模型及控制策略 近二十多年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人 工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一个新的高 度。目前，永磁同步电动机调速传动系统仍以矢量控制的为多n 引。 在不同的应用场合，永磁同步电机的控制策略也不同。结合混合动力汽车复 杂的运行工况和对宽调速范围的要求，本驱动系统在基速以下采用最大转矩电流 控制，基速以上采用弱磁控制。 2 1 永磁同步电机的动态数学模型 对于一般三相交流电动机，根据坐标变换原理，将三相交流绕组等效为两相 互相垂直的交流绕组或旋转的两相直流绕组，变换后系统变量之间得到部分解耦， 从而使得系统分析和控制大为简化。分析正弦波供电的永磁同步电动机时，最常 用的方法是幽0 轴数学模型，它不仅可以用于分析正弦波永磁同步电动机的稳态 运行性能，还可以用于分析电动机的瞬态性能n 6 1 。 为了建立永磁同步电动机的砌0 轴数学模型，首先假设： ( 1 ) 不计电动机中的磁路饱和、磁滞和涡流的影响； ( 2 ) 三相绕组是完全对称的，在空间互差1 2 0 0 ，不计边缘效应； ( 3 ) 忽略齿槽效应，定子电流在气隙中只产生正弦分布的磁动势，忽略高次 谐波；。 ( 4 ) 不计电动机铁心的饱和。 由交流同步电动机的数学模型可得到如下永磁同步电动机的电压、磁链、电 磁转矩和机械运动方程。 电压方程： 磁链方程： u d = 垫d t 7 a l f ，q + 脚d 圹警州一毗 泣， 0 _ 誓比如 。= 等如之。 硕士学位论文 vd = l d i d + l | i l d i 2 d + l i l d i f 炉厶+ 譬， ( 2 2 ) y 2 d = l 2 d 之d + 二柑屯+ 三射f ， y z 。= 厶。f 2 ，+ k 电磁转矩： 乙= p 缈d i q l f ，。i a ) ( 2 3 ) 机械运动方程： ，拿：疋。一瓦一只q q ( 2 4 ) 式中： ”一电压： ，一电流： l f ，一磁链； d 、g 一下标，分别表示定子的d 、q 轴分量； 2 d 、2 9 一下标，分别表示转子的d 、q 轴分量： 三驴三册。一定、转子间d 、q 轴互感； l 矿厶一定子绕组d 、q 轴电感，l d = l 。d + l t ，l g = l 。d + 厶； 三2 矿l 2 q 一转子绕组d 、q 轴电感，厶d = + 厶，厶g = 厶d + l 2 ； 厶、三：一定、转子漏电感； f ，一永磁体的等效励磁电流( a ) ，当不考虑温度对永磁体的影响时，其值为一 常数，f ，= l f ，三耐； l f ，一永磁体产生的磁链，可由l f ，= e o c o 求取，e 。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= 3 目； t ，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) ； r q 一阻力系数； 正一负载转矩。 对绝大多数正弦波调速永磁电动机来说，转子上不存在阻尼绕组，因此，电 动机的电压、磁链方程可简化为： = 百d u d 一+ 羁 矿誓删朋 v d = l d + l m d i = 厶 ( 2 5 ) 混合动力汽车用永磁同步电动机驱动系统的研究 电磁转矩方程：乙= p ( v d - v 。屯) = 研厶d f ，+ ( 岛一l q ) g d i q ( 2 6 ) 由电磁转矩公式可以看出，永磁同步电动机的输出转矩中含有两个分量。一 部分是由磁链产生的永磁转矩，另一部分是由于凸极性( 厶 l d ) 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转矩分量。然而，为了充分利用转子磁路结构不 对称所造成的磁阻转矩，应使电动机的直轴电流分量为负值。 在稳态情况下，易、t 为常值，式( 2 5 ) 可变为： l “d2 一0 + 心o， ，、 i 材口= c o ( 厶+ 上耐，r ) + 蜀 2 2 永磁同步电机的矢量控制 矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。当永磁体的励 磁磁链和交、直轴电感确定以后，电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量f 。， 而i 。的大小和相位又决定于屯和乞，也就是说控制屯和f 。便可以控制电动机的转 矩。一定的转速和转矩对应于一定的f ：和f ：，通过这两个电流的控制，使实际屯和 屯跟踪指令值e 和f ：，便实现了电动机转矩和转速的控制。 由于实际馈入电动机的电枢绕组的电流是三相交流电流f 。、f 。、荜，因此， 三相电流的指令值f ：、f ：、不必须由下面的变换从f ：和f ：得到： = 信 c o s 0 c o s c p 一争 c 。s ( 日+ 了2 n ： ( 2 8 ) 上式中，电动机转子的位置信号由位于电动机非负载端轴伸上的速度、位置传感 器( 如光电编码器或旋转变压器等) 提供。通过电流控制环，可以使电动机实际输 入三相电流f 。、f 8 、玷与给定的指令值i ：、f ：、芒一致，从而实现了对电动机转 矩的控制n 。 正弦波永磁同步电动机的控制运行是与系统中的逆变器密切相关的，电动机 的运行性能要受到逆变器的制约。最为明显的是电动机的相电压有效值的极限值 “陆和相电流有效值的极限值i 。要受到逆变器直流侧电压和逆变器的最大输出电 流的限制。当逆变器直流侧电压固定时， 限制，且u 。的幅值与转子速度直接有关， 极限的制约，有： 电动机定子电压矢量u ，受到直流电压的 因此电动机的运行速度也要受到此电压 7 , 1 s | - 厢 ( 2 9 ) 一00 万一；万一；9妨一3幼3 州 一 + 一p 帧士学位论文 将式( 2 7 ) 代入( 2 9 ) 可得： ( 钏2 地嘶) 2 陪) 2 ( 2 1 0 ) 式中y ，= k ， 同理，电流矢量也要受到最大电流的限制，可表示为： i , | _ 2 + 2 k ( 2 11 ) 当乞厶时，式( 2 1 0 ) 是一个椭圆方程，由式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 就构成 了电机的电压极限椭圆和电流极限圆，如图2 1 所示。 ；寒丢添，。 、蝼， ， 影一 父蹩 极限圆 图2 1 当厶厶时的电压极限椭圆和电流极限圆 对某一给定转速，电动机稳态运行时，定子电流矢量不能超过该转速下的椭 圆轨迹，最多只能落在椭圆上。随着电动机转速的提高，电压极限椭圆的长轴和 短轴与转速成反比地相应缩小，从而形成了一族椭圆曲线。定子电流矢量t 既要 满足电压极限方程，又要满足电流极限方程。所以电动机运行时，定子电流空间 矢量既不能超出电动机的电压极限椭圆，也不能超出电流极限圆，所以其一定要 落在电压极限椭圆和电流极限圆内“8 1 。如图2 1 中阴影部分所示。 由于本系统所采用的是表面凸出式永磁同步电机，此时厶= 厶，这时候的电 磁转矩公式为： z 。= ，i 。 ( 2 1 2 22 ) 。2 ，g ( 1 ) 极限电压u l i m 受逆变器的直流母线电压的限制，这里有蛔= 屹互，而极限 电流则由逆变器的额定电流来决定。同时电机的电压和电流还需要满足下列极 限方程t ， 蚴+ 2 甜。i i m ( 2 1 3 ) f 2 d + f 2 9 f 2 l i m ( 2 1 4 ) 当电机在高速运行时，式( 2 7 ) 中的电阻压降可以忽略不计，式( 2 7 ) 可化 为： = 一厶乞(2ud 2 1 5 ) 2 一k 0 ( 15 ) 混合动力汽车用永磁同步电动机驱动系统的研究 甜g = ( 厶+ l d f ，) ( 2 1 6 ) 将( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 代入( 2 1 3 ) 可得： 2 + ( + i f ，r 厶) 2 ( i j i n 厶) 2 ( 2 1 7 ) 式( 2 1 7 ) 是一个以( - y ，厶，o ) 为圆心，以坼洫厶为半径的圆方程。如 图2 2 所示。由式( 2 1 7 ) 和式( 2 1 4 ) 也就构成了电动机的电压极限圆和电流极 限圆，如图2 2 所示。 + 伊 吁 电流极陲 d 。 媾 厂 l 7 圆 图2 2 当厶2 厶时的电压极限圆和电流极限圆 对某一给定转速，电动机稳定运行时，定子电流矢量不能超过该转速下的圆 轨迹，最多只能落在圆上。虽然电动机转速的提高，电压极限圆的半径与转速成 反比地相应缩小，从而形成了一族同心圆曲线。定子电流矢量t 既要满足电压极 限方程，又要满足电流极限方程。所以电动机运行时，定子电流空间矢量既不能 超出电动机的电压极限圆，也不能超出电流极限圆，所以其一定要落在电压极限 圆和电流极限圆内。 2 3 永磁同步电机的主要控制策略 永磁同步电动机用途不同，电动机矢量控制策略也各不相同。例如，在轨道 交通和纺织行业中的应用就要求系统具有宽调速范围和恒功率运行。由永磁同步 电机在d q 轴系下的转矩公式可知，在电机参数确定的情形下，电机的转矩只与直 轴电流和交轴电流有关。因此，永磁同步电机控制策略中的关键问题就是如何根 据给定力矩来确定交轴电流和直轴电流。下面主要分析三种常用的控制策略： i d = 0 控制、最大转矩电流控制、弱磁控制等。本节就几种常用的矢量控制方法 进行分析和比较，结合混合动力汽车的运行工况，给出了一种非常适合于混合动 力汽车用电机的弱磁控制策略并进行了仿真分析。为了分析方便将p m s m 空间矢 量图和相量图绘于图2 3 。 硕士学位论文 iq 硼 e o t k 一武局i ，g 8 d 轴 、 _ i d a ) 空间矢量图 b ) 相量图 图2 3p m s m 空间矢量图和相量图 2 3 1 屯= 0 控制 屯= 0 控制又叫磁场定向控制，这是一种比较简单的电流矢量控制方法；另外， 使用该方法不存在电枢反应对永磁电动机的去磁问题，而且具有优异的转矩控制 特性，因此许多小功率的永磁同步电动机伺服系统都采用= 0 的控制方法。 屯= 0 时，。从电动机端口看，相当于一台他励直流电动机。定子电流中只有交 轴分量，并且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，即口= 9 0 0 ， 缈= 6 ，电动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为： 乙= i f ，。i s = p l f ，。f 。(21p 218 ) 。2i f ，。 2 p l f ，。z 。 ( g ) 因此有： 丁 t = i q = 二生 ( 2 19 ) p l f ，n 由相量图可求得： 格= 差 扇+ 蜀m w + 玉p ( 2 2 0 ) 由于电动机一般运行于高速，电阻远小于电抗( 即x 。 足。) ，因此式( 2 2 0 ) 可简化为： 混合动力汽车用永磁同步电动机驱动系统的研究 t a n , 5 = 之乙 ( 2 2 1 ) 功率因数为： c o s 唧砌s 毗嘉骈两1 22 斋p 钰( 2 2 2 ) p y ： 1 ，l g 、l f ，：+ 钙：f 赢 p y ： 对式( 2 1 8 ) 和式( 2 2 2 ) 标幺化处理后可得用标幺值表示的交轴电流和功率 因数与电磁转矩的关系，见式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) ： t = ( 一2 3 22 3 ) l 硎2z 口 l j c 。s 92 c 。s t , a f l l - i ( p 吃) 卜丽1 2 2 4 由式( 2 2 3 ) 可以得到电磁转矩正比于交轴电流。由式( 2 2 4 ) 可以得到随着 电磁转矩的增大，电动机的功率因数迅速下降，对于相同的负载，采用这种控制 策略需要的逆变器容量会增大。 对于表面凸出式转子磁路结构的永磁同步电动机来说，此时单位定子电流可 获得最大的转矩。或者说，在产生所要求转矩的情况下，只需要最小的定子电流， 从而使铜耗下降，效率有所提高。这也是表面凸出式转子磁路结构的永磁同步电 动机通常采用i a = 0 控制的原因n 引。 2 3 2 最大转矩电流控制 最大转矩电流控制是在恒转矩运行区域，电机输出给定转矩条件下，控制定 子电流最小的电流控制方法，也称作单位电流输出最大转矩的控制，它是凸极永 磁同步电动机用得较多的一种电流控制策略，对于隐极永磁同步电动机，最大转 矩电流控制就是i a = 0 控制。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，满足定子电流的条件极值下导出心0 1 。 采用最大转矩电流控制时，电动机的电流矢量应满足： = 0 = 0 把式( 2 6 ) 和= 再虿代入上式，从而可求得： ( 2 2 5 ) 和二! 竺：丝丝二垡t ! ! 二丝：丝二! ! ：堡 ( 2 2 6 ) “ 2 ( 三d 一三。)2 ( j d 一1 ) l a d 曲一 v一饬引一 烈一 烈一 硕上学位论文 式中p 一电动机的凸极率，p = l l , 。 把上式进行标幺化可以得到交、直轴电流分量与电磁转矩的关系为： i 艺= 艺【( p 1 ) 一1 】3 广 一 ( 2 2 7 ) i 艺= 号( 2 + 1 + 4 ( p 一1 ) 2 2 反过来，对于给定的