（检测技术与自动化装置专业论文）基于pmsm的车用isg控制技术研究.pdf

摘要 摘要 集成起动发电机( i s g ) 是用个电机代替发动机上起动机和发电机，具有 起动和发电两种基本功能。i s g 技术的应用能够降低内燃机排放，节约燃油，具 有重要的经济意义和环保意义。本论文研究内容如下： 首先，分析了永磁同步电机的磁路结构和数学模型，对矢量控制方法的基本 思想和控制策略进行了阐述。在研究电机凸极率、弱磁率与电机工作运行区域、 控制性能的关系的基础上，选择了一组合适的电机参数；在m a t l a b 中编程计 算得到该组参数对应电机的理论工作曲线，以此验证参数选择的合理性，同时对 控制策略的选择也具有指导意义。 其次，研究了i s g 系统电动和发电两种模式下的电流控制策略：在电动运行 模式下，选用最大转矩电流控制策略，使电机输出最大转矩，起动过程更迅速； 推导了最大转矩电流控制方法电流矢量轨迹的求解方法。在发电运行模式下， 提出了三种不同弱磁电流控制策略，推导了三种弱磁控制电流矢量轨迹的求解， 并比较了三种电流控制策略的控制效果的优劣。其中，电气损耗最小控制策略与 铜损最小控制策略的电机效率接近，且均优于普通弱磁控制策略。铜损最小控制 策略比电气损耗最小控制策略在实际系统中更容易实现。 再次，在m a t l a b 下采用s u b s y s t e m 建模方法进行建模与仿真，建立了i s g 系统各个模块的仿真模型；仿真实现了电动、发电以及电动到发电的过渡控制， 其中电动采用速度电流双闭环控制，发电采用电压电流双闭环控制，电动运行到 发电运行的过渡由速度信号来控制。通过i s g 系统在不同速度和不同负载下的仿 真试验，验证了i s g 系统控制策略的可行性：该系统既能快速的带动负载起动， 又能在不同的速度和不同的负载下进行稳压控制。 最后，开发了以4 0 0 w 电机为控制对象的基于d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的电机 控制器，详细阐述了硬件设计和软件设计，并进行了电动控制实验。 关键字：汽车：集成起动发电机；永磁同步电机；控制 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o ri s am o t o ri n s t e a do ft h et r a d i t i o n a ls t a r t e ra n d g e n e r a t o ro nt h ee n g i n e ，w i t ht w ob a s i cf u n c t i o n so fs t a r t i n ga n dg e n e r a t i o n t h e a p p l i c a t i o no fi s gt e c h n i q u ec a nr e d u c ee m i s s i o n sa n ds a v ef u e lo fc o m b u s t i o n e n g i n e s ，w i t hi m p o r t a n t e c o m o m i ca n de n v i r o n m e n t a ls i g n i f i c a n c e t h i s p a p e r s t u d i e sa r e 嬲f o l l o w s f i r s to fa l l ，t h em a g n e t i cs t r u c t u r ea n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mi s a n a l y z e d w i t hg e n e r a l i z i n gt h eb a s i ci d e aa n dc o n t r o ls t r a t e g i e so ft h ev e c t o rc o n t r o l m e t h o d ag r o u po fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r sh a sb e e ns e l e c t e d ，o nt h eb a s i so fs t u d y i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee l e c t r i c a ls a l i e n ta n dw e a km a g n e t i cr a t ea n dt h e e l e c t r i c a lw o r kr u n n i n gr e g i o na n dt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e t h et h e o r e t i c a l c h a r a c t e r i s t i cc u r v e so f t h ep m s ma l eg e t t e db yp r o g r a m m i n gu n d e rt h em a t l a b ， w h i c hi su s e dt ov e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s so ft h es e l e c t e de l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa n d g u i d et h ec h o i c eo f c o n t r o ls t r a t e g i e s s e c o n d l y , t h e c u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yo ft h et w os t a r t i n ga n dg e n e r a t i n g o p e r a t i o nm o d ea r es t u d i e d i ns t a r t i n gm o d e , t h em a x m u mt o r q u ep e ra m p e r e c o n t r o ls t r a t e g yi su s e dt om a k et h em o t o rp r o d u c em a x m u mt o r q u et os t a r te n g i n e m o r eq u i c k l y t h ec u r r e n tv e t o rt r a c ko ft h em a x m u mt o r q u ep e ra m p e r ec o n t r o l s t r a t e g yi ss o l v e di nt h i sp a p e r i ng e n e r a t i n gm o d e ，t h r e ed i f f e r e n tf l u x - w e a k e n i n g c o n t r o ls t r a t e g i e sa r ep r o p o s e da n dt h e i rc u r r e n tv e c t o rt r a c ka r e s o l v e d b y c o m p a r i n gt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h et h r e em e t h o d s ，ac o n c l u s i o ni sd e d u c e d t h a tt h em i n i m u mc o p p e rl o s sc o n t r o ls t r a t e g yi sas u i t a b l es t r a t e g yt om a k ei s g s y s t e mo p e r a t ei nh i g he f f e c i e n c ya n de a s yt ob er e a l i z e d ，t h em i n i m u me l e c t r i c a l l o s sc o n t r o ls t r a t e g ym a k et h eh i 【曲e s ts y s t e me f f i c i e n c yb u th a r dt or e a l i z e t h i r d l y ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ei s gs y s t e ma r ee s t a b l i s h e dt om o d e la n d s i m u l a t e ，b yu s i n gs u b s y s t e mm o d e l i n gm e t h o d su n d e rt h em a t l a b t h em o t o r i n g m o d e ，g e n e r a t i n gm o d e ，a n dt h et r a n s i e n tp r o c e s so fs w i t c h i n gf r o mm o t o r i n gm o d e t og e n e r a t i n gm o d ea r er e a l y z i e d ，u s i n gs p e e da n dc u r r e n td u a lc l o s e d l o o pc o n t r o li n m o t o r i n gm o d e ，v o l t a g ea n dc u r r e n td u a lc l o s e d l o o pc o n t r o li ng e n e r a t i n gm o d ea n d s p e e da sc o n t r o ls i g n a li nt r a n s i e n tp r o c e s s t h r o u g ht h es i m u l a t i o nt e s t so ft h ei s g s y s t e ma td i f f e r e n ts p e e d sa n du n d e rd i f f e r e n tl o a d ，t h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o ls t r a t e g y o ft h ei s gs y s t e mi sv e r i f i e dt h a tt h ei s gs y s t e mc a nq u i c k l ys t a r te n g i n ea n d r e g u l a t ed cv o l t a g ea td i f f e r e n ts p e e d sa n du n d e rd i f f e r e n tl o a d 北京t 业大学t 学硕卜学位论文 f i n a l l y t h ec o n t r o l l e ro fa4 0 0w m o t o ra sc o n t r o lo b j e c tb a s e do nd s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h ed e t a i l e dd e s i g no f h a r d w a r ea n d s o f t w a r ei sd e s c r i p t e da n dt h em o t o r i n go p e r a t i o nc o n t r o li st e s t e d k e y w o r d ：a u t o m o t i v e ；i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ；p m s m ，c o n t r o l v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：王缝日期：塑! ：兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：耋美导师签名：盔幽日期：尘塑 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景和研究意义 1 1 1i s g 概述 集成起动发电机简称i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) ，或i s a ( i n t e g r a t e d s t a r t e ra l t e r n a t o r ) ，是用一个电机代替发动机上传统的起动机和发电机，具有起 动和发电两种基本功能【。】【2 】【3 】。在发动机起动过程中，电能由蓄电池经功率变换 器逆变供给i s g 电机，快速拖动发动机到起动速度后进行点火，完成起动过程； 发动机起动后，拖动i s g 电机发电运行，电能通过功率变换器整流后给蓄电池 充电，并给车用负载供电。 i s g 系统的传动方式主要有间接式皮带传动和直接式曲轴传动。皮带传动 结构中【4 j ，发动机通过主传动轴与变速器相联，电机通过皮带与发动机曲轴相 连。该传动方案结构简单、重量轻，对整车原有结构改动很小，成本低。皮带 传动i s g 系统具有起动、发电两种基本功能。曲轴传动结构中，盘式i s g 电 机直接装在发动机的输出轴末端，构成一个先进高效紧凑的混合驱动系统。曲 轴传动方式的i s g 系统除了具有起动、发电基本功能，还具有辅助动力功能。 车辆加速或爬坡时，由蓄电池提供电能，i s g 作为电动机为发动机提供辅助动 力，形成发动机和电动机动力在发动机轴上组合的混合驱动模式。曲轴传动方 式能控制大功率输出，效率也更高，是i s g 系统传动的主要方式，也是i s g 应 用和发展的主要趋势。 i s g 系统具有如下优尉5 】：首先，i s o 系统可以使发动机结构更紧凑；其次， i s g 系统功率较大，可以快速起动发动机，从而提高内燃机的燃油效率并减少 废气排放；再次，i s g 系统的发电效率可达8 0 ，远高于传统发电机大约5 0 到6 0 的效率：最后，i s g 系统具有辅助动力功能，能提高发动机的动力性能。 总之，i s g 系统的应用能够减少废气排放，节约燃油消耗，具有重要的经济意 义和环保意义。 1 1 2i s g 相关技术的发展 i s g 技术的发展是在电机技术、电力电子技术和运动控制技术发展的基础 上而发展的。 随着电机的发展，i s g 电机经历了由直流电机到交流电机的发展过程。在 北京： 业犬学t 学硕十学位论文 2 0 世纪3 0 年代，采用了当时控制性能较好和成本较低的直流电机。随后，感 应电机代替了直流电机成为i s g 更好的选择。2 0 世纪6 0 年代，稀土钴作永磁 材料推动了永磁电机的发展，永磁电机现己成为i s g 电机的最优选择之一。 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， 新产品新技术的不断出现使复杂的i s g 电机控制策略的实现成为可能。2 0 世纪 8 0 年代以前，电力电子器件经历了从门极关断晶闸管g t o 到功率m o s 场效应 晶体管，再到绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的过程。8 0 年代以后出现的功率集成电 路( p o w e ri c ) ，如智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e i p m ) ，集功率开关器件、 驱动电路、保护电路、接口电路于一体。这种高集成度、模块化、智能化的功 率模块应用到i s g 系统中，能简化i s g 控制系统结构，减小控制器的体积，增 加控制系统的可靠性【6 】。 i s g 控制理论的发展是随着i s g 电机技术的发展而发展。直流电机的控制 比较简单，一般通过控制励磁电流和电枢电流来控制转矩，从而控制电机的运 行速度和位置。交流电机问世后，由于交流电机是个非常复杂的强耦合非线性 系统，控制比较复杂。2 0 世纪7 0 年代，德国的b 1 a s c h k e 工程师提出了异步电 机的矢量控制方法来解决交流电机的转矩控制问题。1 9 8 5 年。德国的 d e p e n b r o c k 提出了直接转矩控制方法。随后，矢量控制方法和直接转矩控制方 法得到了迅速的发展，也涌现了很多新的方法。矢量控制新方法有磁通的快速 控制、参数辨识和调节自整定控制、非线性自抗扰控制和矩阵式变化控制等。 直接转矩控制新技术有直接转矩无差拍控制、转矩( 磁链) 跟踪预测控制和直接 解耦控制等。 i s g 电机控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。数字控制器与 模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制 精度高、对环境因素不敏感等优点。随着现有的工业电气传动、自动控制和家 电领域对电机控制产品需求的增加，用户也不断提高对电机控制技术的要求， 希望能在驱动系统中集成更多的功能，达到更多的性能。集成控制器一般分为 三类：第一，以8 位、1 6 位单片机或微处理器为核心的控制器；第二，以专用 芯片a s i c 作为核心处理器的控制器；第三，高速d s p 和可编程f p g a 。先进 的电机控制理论、高效的控制算法需要高性能的控制器来得以实现。8 0 年代以 来不断发展的单片可编程数字信号处理( d s p ) 芯片可满足电机控制器不断增 加的计算量和速度需求，从而其应用越来越广泛。 1 1 3i s g 技术在国内外的发展 2 0 世纪3 0 年代，汽车工程师们利用电机的可逆运行原理，让直流电机工 第1 章绪论 ! ! omm- - 作在电动和发电两种运行模式下，构成i s g 电机的雏形。由于控制系统和传动 装置的复杂性，i s g 系统未能应用到实际汽车中来。2 0 世纪9 0 年代，在电机技 术、电力电子技术、电机控制理论和数字控制技术成熟的基础上，在各国争相 研制电动汽车以节约能源，减少环境污染的背景下，i s g 技术在世界范围内得 到重点研究和快速应用。 ( 1 ) 欧洲i s g 技术发展现状 德国零部件制造商大陆( c o n t i n e n t a l ) 公司下属的t o c h e r 公司首先开发出 了i s a d ( i n t e g r a t e ds t a t e ra l t e r n a t o rd a r n e r ) 系统，并于1 9 9 7 年装机试验，大 陆公司因此而获得1 9 9 7 年度工业革新奖，1 9 9 9 年在法兰克福国际展览会上，i s g 作为汽车系统零部件首次亮相。 随后，博世、西门子、萨克斯、德尔福和法雷奥等公司也开发出这种系统。 其中，大陆和西门子公司选用的是异步电机，4 2 v 电源系统【7 】，采用直接传动 方式，即把i s g 安装在发动机和变速箱之间的曲轴上；博世公司选用的是永磁 同步电机，1 4 v 和4 2 v 混合电源系统，也采用曲轴直接传动方式，工作效率在 8 0 以上；萨克斯选用永磁同步电机，定子和定子支架直接安装在发动机曲轴 凸缘上，转子则固定在飞轮上，发电效率高达8 0 9 0 ；法雷奥选用4 2 v 电 源系统，采用皮带连接的间接传动方式，与传统车相比，可节省2 0 的燃料， 在3 0 的停顿过程中实现“零”排放。 大陆公司的i s g 安装在福特轿车上试验，发动机驱动时产生的振动与无i s g 的轿车相比降低了7 0 ，在雷诺一款轿车上安装了i s g 后，其舒适性可与宝马 轿车相媲美。法雷奥公司制造的i s g 用在福特t r a n s i tt 2 8 0 上，制造出欧洲第 一辆b i s g 的柴油轻度混合动力城市运货车。 ( 2 ) 日本i s g 技术发展现状 日本人口密集，国土狭小，石油依赖进口，日本政府非常重视混合电动汽 车的发展。2 0 世纪9 0 年代初，日本开始了大规模电动汽车开发，并且在9 0 年 代末将混合电动汽车商业化，i s g 技术因而得到发展并应用到混合电动汽车上。 1 9 9 7 年，t o y o t a 推出的应用了i s g 技术的t h si ( t o y o t ah y b r i ds y s t e mi ) “p r i u s ”开始在同本批量销售i s 】；随后，t o y o t a 又推出了t h s l i “0 3 p r i u s ”、 “r x 4 0 0 ”s u v 。t o y o t a 的i s g 系统采用永磁电机，电机转子采用钕磁体材料， 直流母线电压达6 5 0 v 。由于采用了高压技术，输出功率和效率大大提高了1 9 】1 1 0 】。 1 9 9 9 年，本同推出了应用了i s g 技术的i n s i g h t 第一代混合电动汽车。该 1 s g 系统采用矩形波永磁电机，电源系统采用1 4 4 v 的蓄电池组，电机与发动机 曲轴直接连接，可产生与发动机相位相反的转矩，降低振动，使运转更平秽1 1 】。 北京t 业大学丁学碗十学位论文 i s g 技术同样也应用到了本田的第2 代a c c o r d 、第3 代2 0 0 5 款c i v i c 和第4 代 2 0 0 6 款c i v i c 混合电动汽车上。在2 0 0 6 款混合电动车上，电动机使用了一种最 新的扁线圈缠绕构造，这使得电动机最大功率和最大转矩与2 0 0 5 款c i v i c 相比 分别增加了5 0 和1 4 ，转换效率由原来的9 4 6 提高到9 6 1 1 2 1 。 ( 3 ) 国内i s g 技术发展现状 在国内，中科院电工所、西北工业大学、南京航空航天大学及长安、东风、 奇瑞等公司都在研究i s g 技术。已有部分混合动力电动汽车样车应用了i s g 技 术，如东风e q 7 2 0 0 h e v 、奇瑞b s g 、奇瑞a 5i s g 和长安羚羊混合型1 s g 等。 其中，e q 7 2 0 0 上的i s g 应用永磁磁阻电机，转矩达1 7 8 n m 、4 倍弱磁、电动 效率达9 2 、发电效率达9 4 ；长安羚羊i s g 系统采用1 2 对磁极的盘式永磁 无刷直流电机，应用粘结和非磁性护环方法固定磁钢，系统平均效率达7 2 ”。 总体来讲，车用i s g 技术还处于研发和试用阶段，离真正产业化还有不小的距 离。 1 2 电机选型 1 2 1i s g 电机的性能要求 i s g 系统具有起动、发电和辅助动力等功能，电机选择应满足如下要求 1 4 l 15 1 ： ( 1 ) 起动转矩大，以拖动发动机快速起动； ( 2 ) 速度运行范围较宽，以满足发动机在不同工况下运行速度范围不同的 要求； ( 3 ) 发电运行时，在发动机的速度和负载变化时，能有效将电压控制在允 许的误差变化范围内： ( 4 ) 运行效率高，输出转矩平稳，跟踪精度高； ( 5 ) 尺寸较小、结构简单、性价比高。 另外，i s g 电机的选择还要考虑功率等级、电机及驱动电路的成本、电机 与发动机的耦合方式和系统性能等。 1 2 2 适合选作i s g 电机的电机类型 适合选作i s g 电机的电机类型主要有以下三种：永磁电机、异步电机和开 关磁阻电机。 d 第1 章绪论 ( 1 ) 永磁电机体积小、结构紧凑，输出功率大，运行效率高于异步电机和 开关磁阻电机。缺点是永磁材料贵，所以同规格的永磁电机成本较异步电机和 开关磁阻机贵，磁场调节困难，高温下永磁材料还会退磁【1 6 【1 7 】。其中正弦波 永磁同步电机的控制系统和控制方法比无刷直流永磁电机控制系统复杂，但跟 踪控制精度高，转矩脉动和噪声小。 ( 2 ) 异步电机结构简单，输出功率大，速度运行范围较宽，转矩脉动和噪 声小，维护简便，控制技术成熟。缺点是体积大，运行效率比永磁电机低，控 制比开关磁阻电机和永磁同步电机复杂f 1 ”。 ( 3 ) 开关磁阻电机结构简单，相间耦合小，可以缺相运行，高速运行性能 优越，输出功率大。缺点是转矩脉动和噪音大，运行效率比永磁电机和异步电 机低【3 j 1 1 9 1 。 永磁同步电机简称p m s m ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e ) ，其 运行效率高、功率密度大、性价比高，综合性能高于异步电机和开关磁阻电机， 因此，本课题选择永磁同步电机作为i s g 电机。 1 3 课题内容 1 3 1 课题的主要研究工作 本课题来源于北京工业大学青年科研基金资助项目，主要研究i s g 系统的 控制策略，论文研究内容如下： ( 1 ) i s g 用p m s m 电机参数的选择 介绍了永磁同步电机的磁路结构和数学模型，对矢量控制的基本思想和控 制策略进行了分析。研究了电机的凸极率和弱磁率对电机性能的影响，以此作 为电机参数和电流控制策略选择的依据，并选择了一组合适的p m s m 电机参 数。在m a t l a b 中编程计算得到该组参数对应电机的理论工作曲线，以此验 证参数选择的合理性，同时对控制策略的选择也具有指导意义。 ( 2 ) 基于p m s m 的车用i s g 系统控制策略研究 研究了i s g 系统包括电动和发电两种模式下的电流控制策略：电动运行时 采用最大转矩电流控制策略，使电机输出最大转矩，以拖动发动机迅速起动： 并给出了最大转矩电流控制方法电流矢量轨迹的求解方法。发电运行时，给出 了三种不同弱磁电流控制策略电流矢量轨迹的求解，并比较了三种电流控制策 略的控制效果。得出电气损耗最小控制策略让电机效率最优，铜损最小控制策 略的电机效率次之，但实现起来比前者简单。 ( 3 ) i s g 系统建模与仿真 北京_ t 业| 人学工学碗十学位论文 在m a t l a b 下采用s u b s y s t 锄建模方法进行建模与仿真，建立了i s g 系统 各个模块的仿真模型；仿真实现了电动、发电以及电动到发电的过渡控制，其 中电动采用速度电流双闭环控制，发电采用电压电流双闭环控制，电动运行到 发电运行的过渡由速度信号来控制。通过i s g 系统在不同速度和不同负载下的 仿真试验，验证了i s g 系统控制策略的可行性：该系统既能快速的带动负载起 动，又能在不同的速度和不同的负载下进行稳压控制 ( 4 ) i s g 系统数字控制器开发，包括硬件设计和软件设计。 开发了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的电机控制器，包括硬件设计和软件设计，并 进行了电动运行实验。 第2 章p m s mf b 机参数选择 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎m ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼 第2 章p m s m 电机参数选择 永磁同步电机的转子结构具有复杂性和多样性，不同的转子结构对应不同 的电机参数，而电机参数又决定了电机的工作特性；另外，不同的控制策略对 电机的控制效果影响也很大。因此研究电机的结构、参数和控制策略对电机的 控制有重要的意义。 2 1p m s m 数学模型与矢量控制 2 1 1p m s m 磁路结构和d q 轴数学模型 永磁同步电机的转子磁路结构不同，运行性能、控制系统、制造工艺和适 用场合也不相同。按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电机的转子磁路 结构般可分为表面式和内置式。 表面式转子磁路结构中，永磁体呈瓦片形，安装于转子铁心的外表面上， 提供径向磁通。表面式结构又分为凸出式和嵌入式两种。对采用稀土永磁的电 机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近l ，所以表面凸出式转子在电磁 性能上属于隐极转子结构；而表面嵌入式转子的相邻两永磁磁极间装有磁导率 很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。 内置式转子磁路结构中，永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心 内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝或铜条笼，起阻尼、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。内置式转子磁路结构的永磁同步电机在电磁性能上也属于凸极同步 电机，其转予磁路结构不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力 和功率密度，而且有助于弱磁扩速。 分析永磁同步电机最常用的方法就是d q 轴数学模型，它不仅可用于分析 p m s m 的稳态运行性能，也可用于分析电机的瞬态性能。在建立永磁同步电机 d q 轴数学模型【2 驯之前，先做如下假设：忽略铁心饱和：不计涡流和磁滞损耗； 电动机的电流为对称的三相f 弦波电流；转予上不存在阻尼绕组。由此可得到 如下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程： 北京工业大学t 学硕十学位论文 动态电压方程： 磁链方程： 妒d = j ；，f + l d i d k2 转矩方程： i = 1 5 以 妒r + ( 厶- l q ) i j q 机械运动方程： h 1 - 寺警 稳态电压方程： i = 置一c o l q i , 【“g = 足+ 国岛+ c o p l 式中 1 1 d 、u q d 、q 轴电压 帅、叫、q 轴磁链 h 、k 定子绕组的d 、q 轴电感 v f 永磁体产生的磁链 t l 负载阻转矩 j 机组的转动惯量 p 。电机永磁体极对数 r 唔定子绕组相电阻 2 1 2p m s m 矢量控制 1 9 7 1 年，由f b l a s c h k e 提出的矢量控制理论将交流传动的发展向前推进 了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本原理为【2 4 】：以转 子磁链这一旋转空问矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互j 下交的两个分量： 一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量：另一个与磁链方向j 下交，代表定 子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，即实现解耦，以使交流电机获 得像直流电机一样良好的动态特性。矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐 标变换，需要采样电流反馈信号、电机转子位置信号、转速信号，还需要进行 _ 8 0q 暇 嘶 一 + d一出d一出 + 酗 | | = 蜥 ) ) 、， ) ” ” 舢 ” 协 沼 三! ； 第2 章p m s mf u 制l 参数选择 p i 调节器的运算，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量 控制技术在实践上的不足。不过在控制中通过采用高速处理器，可解决矢量控 制技术运算量大的问题。 ( 1 ) 定子电流的向量表示 三相定子绕组通入空间互差1 2 0 0 的三相电压u a ，u b ，l l c ，作用于电机产生三相 定子电流“b ，i 。( 空间和时间互差1 2 0 0 ) 。 乞= lc o s q f c o s p = lc o s ( 吖一2 z r 3 ) c o s ( 8 - 2 ，r 3 ) ( 2 - 6 ) = c o s ( c o , t + 2 叫3 ) c o s ( 口+ 2 z 3 ) 其中“b i 。的合成电流为一个空间旋转，幅值不变的量0 ， = ( 3 2 ) c o s ( c o t - 0 ) 。 ( 2 ) 三相静止坐标( a ，b ，c ) 到两相静止坐标( d ，1 3 ) 的转换 形成0 不一定用三相交变电流形成，用任意相的交变电流都可以形成。最 简单的方法是用两相交变电流和话。按式( 2 - 7 ) 可把三相静止坐标系( a ，b ，c ) 变成两相静止坐标系( a ，d ) 。 l一! 一三 22 o 鱼一巫 22 ( 3 ) 两相静止坐标( ，b ) 到两相旋转坐标( d ，q ) 的转换 ( 2 7 ) 在两相静止坐标( 旺，d ) 坐标系中，转矩的表达式仍然依赖于转子磁通的位 置。为了消除转矩对转子磁通位置的依赖性，按式( 2 - 8 ) 将电机的电气方程从 两相静止坐标( a ，p ) 投影到同步旋转的( d ，q ) 坐标系中。矢量控制是取d 轴沿转 子总磁链矢量v f 的方向，称为m 轴( 励磁轴) 。而q 轴垂直于矢量、| ，f ，称为t 轴( 转矩轴) 。 舞o s ( e t s i n 。c 伽ot i 。， 池s ， ( 4 ) p m s m 矢量控制电流控制策略概述 矢量控制是实现p m s m 高性能的控制方法之。根据永磁同步电机结构、 压怄 | 1 j k 0 l 北京丁业大学i 学 0 1 十学位论文 具体应用场合和控制目的不同，矢量控制有很多具体控制方法【23 1 。比如： i d = o 控制：最为简单，无电枢反应的去磁作用，输出力矩与定子电流成正 比。主要缺点是随着输出力矩的增大，漏感压降增大，功率因数急剧降低，且 对于凸极p m s m 电机来说，输出转矩中磁阻转矩为0 ： 最大转矩电流控制：在满足力矩要求条件下定子电流最小，减小了电机铜 耗，有利于逆变器开关器件的工作，同时也可降低系统成本： 弱磁控制：通过增加直轴去磁电流来实现调压，可以提高转折速度，并在 高于转折速度的较宽速度范围内保持恒功率运行； c o sq = 1 控制：使电机的功率因数恒为1 ，变换器的容量得到充分的利用， 但该方法的最大输出力矩很小； 最大输出功率控制：在某一确定转速下，电机的电压极限椭圆上存在一点， 该点对应的电流矢量使电机的输入功率最大； 效率最优控制：对某一确定的输出，一定存在最佳频率与合适的去磁电流， 使电机的铜耗和铁耗之和最小。此时，电机的效率达到最优。其控制取决于电 机的参数，输出功率和永磁励磁磁链。 2 3p m s m 电机参数的选择 2 3 1p m s m 运行条件 由于电机和逆变器的电负荷都有一定的限制，因此永磁同步电机稳态运行时 其端电压和定子电流都要受到限制，不能超出极限值u 。l i 。( 最大电压) 和i s l i 。( 最 大电流) 2 2 j 。 电机端电压心= 4 u ；+ “：，根据永磁同步电机的稳态电压方程并忽略电机定 子绕组上的电阻影响，可以得到关于电机定子电流分量i d ，i a 在d q 坐标系下的电压 极限方程： ( 岛毛+ 竹) 2 + 瓴) 2 = ( 。加) 2 ( 2 9 ) 逆变器供电的电机定子电流极限值i s l i 。是由电机绕组和逆变器所能承受的电 流所决定的，电机定子电流= + # 。由此可以得到关于电机定子电流分量 i d ，i 。在d q 坐标系下的电流极限方程： 2 + i q 2 im 2 ( 2 一l o ) 永磁同步电机每一个稳定运行状态都对应一个定子电流矢量，该矢量受到 电机电压极限方程和电流极限方程的约束，在i d 、i a 为坐标轴平面内只能处在同 时满足两个约束条件的范围之内，见图2 一l 中阴影部分。 第2 章p m s m 电机参数选择 j ，瑟 l i ? 。铲侈九? 兮。 遴 。? ， i d 蒜辍b l 图2 - 1电压利电流极限圆 f i g a r e2 - 1v o l t a g ea n de u n n tl i m i tc i r c l e s 2 3 2p m s m 电机参数与工作区域的关系 电机不同的转子磁路结构对应不同的电机参数，转子磁路的不对称性反映 了直轴电感与交轴电感的不对称性，可用凸极率p 表示如下： p = 丢- ( 2 - 5 1 当p 1 时，电压极限圆是以( 一、| ，k ，o ) 为圆心的一簇椭圆，见图2 2 ( a l ， 图2 3 ( a ) ，2 - 4 ( a ) 。p 1 的永磁同步电机称凸极式永磁同步电机( i p m s m ) 。 当p = l 时，电压极限圆是以( 、i ，山，0 ) 为圆心的一簇圆，见图2 2 ( b ) ，图 2 3 ( b ) ，2 - 4 ( b ) 。p = l 的永磁同步电机称隐极式永磁同步电机( s p m s m ) 。 由转矩方程式( 2 3 1 可知，凸极式永磁同步电机磁阻转矩不等于0 ，而隐极式 同步电机的磁阻转矩恒等于0 ，因此凸极式永磁同步电机比隐极式电机在同样 的条件下，能输出更大的转矩和功率，转矩和功率输出特性更好。 永磁同步电机在高于基速运行时，需要进行弱磁控制。其弱磁能力与电机 参数弱磁率有关 2 5 】，弱磁率用e 表示： f = 丝迫( 2 - 1 2 ) v f 当弱磁率p 1 时，电压极限圆的圆心( v r l d ，0 1 在电流圆内，见图2 2 ； 当弱磁率 藉兮。 3 i l i 。| 、一 电压极疽樯1 最广一。 1 电流极限圆l【2 k li q 一 - 7 上一 a p 1 4 f p 。 ； 甜7 j j i t i r !i j 、 【l藏趿限圆、 o 电流极限圆 、-，-，_， ( a ) 弱磁率p 1 ，凸极率p l( b ) 弱磁率芎 1 ，凸极率p = l 图2 - 2p m s m 电机工作圆图 f i g u r e 2 - 2p m s m w o r kr o u n dp l a n 吖，磊麓 - i 、。 j 、， ，j j = 电压极限椭圆，。 - r 流极限l ，_ ， ，x _ - ，、 j iq 、： l k 1 叫 ，、 ，、厂 卜。i 、，弋 ?idr 夕 电庵碌限圆 ， 电流极m ， a ) 弱磁率孓l ，凸极率p lb ) 弱磁率乒1 ，凸极率旷l 图2 3p m s m 电机工作圆图 f i g u r e 2 3p m s mw o r kr o u n dp l a n k l l 。- 僚，、 ：、 、翼， 屯? i 己 、k1 赢极限i 电压极限椭圆 圆 a 一 、：0p 。 ， ， ，一 声1 j i、￥一7 j i 鲁磊极限i 电压极限圆、一，7 a ) 弱磁率 i ，凸极率p # lb ) 弱磁率辱= 1 ，凸极率p = l 图2 _ 4p m s m 电机_ t 作圆图 f i g u r e 2 - 4p m s m w o r kr o u n dp l a n 1 2 第2 章p m s m 屯机参数选择 、 电机的运行区域可分为三个区间：基速区i ( t o _ t 0 1 ) 、弱磁一区i i ( 0 1 曼2 ) 和弱磁二区i i i ( z 曼嘶) ，见图2 - 2 ，l 为电机的基速，c 0 2 为最大输出功率 曲线上可运行的最小速度，3 为电机的最高转速。在基速区内电机受到的限制 完全由电机及主回路功率元件的极限电流限值决定，一般采用最大转矩电流控 制，电流矢量固定于图2 2 、图2 3 和图2 - 4 的a 点，a 点运行的速度为基速【0 i ； 弱磁一区内电机运行受到的限制由电机的极限电压和极限电流交集决定，见图 2 一l 中的阴影区域，电流矢量取值在阴影区域内取值：弱磁二区受到电机的极限 电压限制，电流取值可取最大输出功率轨迹与电压圆的交点，即k 2 上弧线b c 。 当 l 和乒1 时，不存在弱磁二区，见图2 - 3 和图2 - 4 。当p 1 时，存在弱磁二 区，见图2 - 2 。电机运行的最高速由式( 2 1 3 ) 求出，e = l 时，最高速。，为无 穷，p 1 和乒1 时，最高转速。为有限理想最高速。 = 兰 一 ( 2 1 3 ) r 一岛l ，“。 图2 - 5p m s m 主要工作曲线 f i g u r e 2 5p m s mm a j o rc - r l r v e s 2 3 3p m s m 电机参数与控制特性的关系 n 在m a t l a b 中采用插值法计算不同电机参数下，永磁同步电机功率随速 度变化的曲线并绘图，见图2 - 6 。由图可知，弱磁率影响电机的最高转速。当逛1 时，电机的最高转速随e 增大而增大，暑= 1 时，电机的最高转速为无穷；当l 时，电机的最高转速随增大而减小。比较图2 - 6 ( a ) 和2 - 6 ( b ) 可知，篷l 时，凸极率只影响电机最大输出功率对应的转速，凸极率越大，最大功率对应 的转速值越低。最大输出功率仅由l 决定。p l 时，凸极率既影响电机最大输 出功率对应的转速，也影响最大输出功率。凸极率越大，最大功率越大，而最 大功率对应的转速值越低。 北京t 业犬学t 学硕e 学位论文 a ) f l = l ，乒o 3 3 ，v f o 4b ) 0 = 3 ， = o 3 3 ，v t = o 4 图2 - 6 不同弱磁率下，电机功率输出曲线 f i g n r e 2 6t h ee l e c t r i c a lp o w e ro u t p u tc l l r v ea td i f f e r e n tw e a km a g n e t i cr a t e s 英国学者w s o o n g 对i p m s m 电机参数对于电机性能的影响通过图示的方 法给予了详尽、明确的阐述 2 6 】。图2 7 表明了不同凸极率p 和磁链( 标么值) 下i p m s m 功率同转速的关系：一系列曲线