混合动力电动汽车用永磁同步电动机调速系统研究_图文_百度文库

1、天津大学硕士学位论文混合动力电动汽车用永磁同步电动机调速系统研究姓名：赵峰申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：夏超英20031201摘要当前，永磁同步电动机（）调速系统的研究已经日渐成熟，但是要满足混合动力电动车（）驱动器的特殊要求还是存在一些问题，本文主要针对弱磁和调节器设计两个问题作了详尽的研究。首先，对不同种类的电机作了比较，对不同的定予电流和气隙磁场下永磁电机特性也作了比较，选择了永磁同步电机（）作为混合动力电动汽车的驱动电机。然后，讨论了不同的凸极率和弱磁率亭下的弱磁特性的差异，并且提出了平面的等功率曲线，在此基础上给出了最大功率弱磁的算法，同时给出了混合动力汽车全速

2、范围内的电流控制策略。紧接着，分析了回馈制动的本质，提出了最大功率的回馈制动策略，并且讨论了其制动特性。接下来，分析了普通调节器的特性，以及在调节器饱和后的存在的缺点，提出了预测前馈补偿算法，并对其稳定性和最佳增益作了详细研究。最后，简单介绍了由为核心组成的实际驱动系统实现，对离散系统的一拍滞后作了简单分析，并对位置的一拍滞后给出了补偿方法。关键词：混合动力永磁同步电动机预测前馈补偿最大功率弱磁回馈制动，（），）船（）（善），：（）（）独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成

3、果，也不包含为获得鑫盗盘茎或其他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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：毒矽奎签字日期：歹妒。年月绷学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：彳睦一聚签字日期：，扫昨月，日导师签名：盈迄更签字日期：细陴月乒日第一章绪论第一章绪论引

4、言随着世界汽车保有量的急剧增长，传统的内燃机汽车对人类环境带来的危害越来越严重，环境保护呼声的高涨和石油储量日益短缺的压力，迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。经过对各种新燃料、新能源的探索，电动汽车成为最主要的选择之一。电动汽车包括纯电动汽车（）、混合电动汽车（）和燃料电池汽车（）三种形式，它是理想的零排放或低排放车辆。纯电动汽车在发展中受到了技术上的制约，有限的行驶里程和较长的充电时间使得它们的普及遇到困难。燃料电池汽车具有低排放、低噪音，其甲醇燃料有广泛的来源，以及可再生等重大优势，己成为世界各大汽车集团新世纪激烈竞争的焦点，被喻为世纪改变人类生活的十大高科技之首，但产业化仍需要较长的时

5、间。混合动力电动汽车是将新技术和老技术结合的最可行的产物。它不仅具有纯电动汽车的高效率和低排放的性能，而且具有传统内燃机汽车的行驶里程长和快速补充燃料的性能。混合电动汽车成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案。国内外电动汽车的发展现状圆¨町嘲年代以来，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽车。日本丰田汽车公司率先于年月将混合动力型轿车投放本国市场，年初又开始投放北美市场，并将月产由辆调升到月产辆，三年内销售了万辆。计划到年时，混合动力汽车达到年产万辆。在日本，除了丰田公司以外，本田、日产等大公司也分别研制了自己的混合动力汽车，其中本田公司已投产混合动力汽车，被美国

6、环保总署评为年美国十大节能汽车的第一名，第二名则为丰田汽车公司的混合动力汽车。美国能源部与三大汽车公司于年签订了混合动力汽车开发合同，启动下一代汽车合作伙伴（）项目，迄今已开发出多种形式的混合动力电动汽车，例如克菜斯勒的、福特的、通用的和等，项目在混合动力汽车性能仿真、汽车集成动力模块等技术领域取得了显著成就。第一章绪论欧洲各大汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的混合动力电动汽车，法国集团先后推出了贝灵格型和型混合动力电动汽车，德国的等著名的零部件公司也积极与大汽车公司联手开发混合动力电动汽车技术。专家普遍评价：混合动力电动汽车是世纪初汽车产业界的一场革命，只有混合动力电动汽车才能满足新世纪之

7、初对汽车的环保与节能要求。在国内，“电动汽车技术研究”是国家科委“八五”科技攻关项目。在清华大学的组织下，研制出辆座电动轻型客车：“九五”期间，东风汽车公司承担并完成了国家重大科技攻关项目“电动轿车概念车设汁”的整车（）研制工作。“九五”末期我国在电动汽车的三大关键技术领域（电池、电机、电控系统）取得突破。科技部已将电动汽车产业化列为“十五”国家重大科技攻关项目，“十五”期间，国家计划投入近亿元来支持电动汽车的前瞻性研究。要求混合动力电动汽车实现批量生产，并通过国家汽车产品型式认证。在“九五”科技攻关计划的推动下，我国开发出多种电控发动机，在电机控制方面取得了重大突破，电池管理系统的研究也取得

8、一定的进展。但在双能量源混合动力电动汽车动力系统的自动控制方面刚冈日起步，包括控剖算法的研究和控制器的开发，还未有完整的系统。电动汽车用电机驱动系统的概述嘲嘲电动汽车用电动机的特性电动汽车用电机驱动系统除了具有普通电气传动的共性外，还应满足电动汽车特定用途的要求。电动汽车是一种在陆地上露天运行、结构紧凑、具有车载能源的行走机械，工况复杂。既要能高速飞驰，又要能频繁启动、制动、上下坡、快速超车、紧急刹车；既要能适应雪天、雨天、盛夏、严冬、雪后撒盐等恶劣天气条件，又要能承受道路的颠簸震动，还要保证司乘人员的舒适与安全。因此，所设计的电机驱动系统应该满足以下几点要求：（）基速以下大转矩以适应快速启动

9、、加速、负荷爬坡、频繁起停等要求，基速以上小转矩、恒功率、宽范围以适应最高车速和公路飞驰、超车等要求。（）电机及电控装置结构坚固、体积小、重量轻、抗颠簸振动。（）操纵性能符合司机驾驶习惯，运行平稳，乘坐舒适，电气系统失效保障措施完善。（）单位功率的系统设备价格尽可能的低。电动汽车驱动电机典型的输出特性主要包括两个工作区：（）基速以下的第一章绪论恒转矩工作区，该区间主要保证电动汽车的载重能力。（）基速以上的恒功率工作区，该区间保证电动汽车有充足的加速空间。电动汽车驱动系统中各种电机性能比较目前在电动汽车中，主要的电机驱动系统有直流电机调速系统、感应电机调速系统、永磁同步电机调速系统和开关磁阻电机

10、调速系统。下表是对各主要驱动电机及其驱动系统的性能比较：表卜直流电机（）驱动电机性能比较永磁同步电机（）异步电机（）开关磁阻电机（）控制简单，只用电压控制，不需检测磁极优点结构简单，造价低廉，可高速运行，调速范围大，转动惯量小，维护简单，技术成熟体积小，重量结构简单、牢轻，功率密度大，低速输出转矩大，效率商，维护简单高速运行较复杂，需检测转固，效率高，起动转矩大，价格低，免维护位置，小容量系统造价低有整流电刷结构复控制复杂，容量小时效率降低，制动困难噪音大，输出转矩脉动大杂，不适合高速、大缺点转矩运行，效率低，环境适应性差，维护难容量增大造价大幅增加且制造困难子磁极位置，永磁体有退磁问题，造价

11、较高从各驱动电机性能特点看，直流电机驱动系统由于其控制简单，动态性能好，年代就已经实用化。年代后期，随着矢量控制理论的完善，以及微处理器、电力电子元件技术的发展和成本的降低，交流电机驱动系统开始实用化。由于采用了新的控制理论和新型元器件，交流驱动系统能够达到直流驱动系统的控制性能，同时克服了直流驱动系统的缺点，因此在各个领域都有取代直流驱动系统的趋势。表卜列出了近年来各大公司推出的电动汽车驱动电机及其主要参数表主要公司电动汽车驱动电机资料公司名称车型推出年份电机类型电机功率（）电机转速（）第一章绪论通用汽车轿车本田轿车】尼桑扛旅行轿车大众（旧概念车沃尔沃货车雪铁龙轿车由表看出，在电动汽车驱动系

12、统中，各大公司主要使用的是交流电机，可以预见，今后绝大部分的电动汽车都将采用交流电机驱动。而在电动汽车交流驱动系统中，采用异步电机和采用永磁同步电机是两大主流倾向。在交流驱动系统的研究工作中，美国公司与公司曾联合对峰值功率的异步电机和永磁同步电机驱动系统做过比较（表）。表卜异步电机与永磁同步电机比较异步电机永磁同步电机峰值功率（）总重（）功率重量比功率，体积比效率（额定功率）效率（峰值功率）从表中可以看出，永磁电机在功率密度、效率等性能方面均优于异步电机，但因永磁体采用稀土永磁材料，其价格较贵，而异步电机结构简单，造价低廉，因此目前两种电机性价比相差不大。今后随着新型永磁材料的开发，永磁材料成

13、本有望降低，永磁电机的价格会有所下降，从而能有比异步电机更高的性价比。总体来看，永磁同步电机的特点适合了电动汽车对驱动系统的要求：（）体积小，重量轻，转动惯量小，功率密度高（可达）；适合电动汽车空间有限的特点。（）效率高，功率因数高。基速以下运行不需要励磁电流，可提高功率因数，减小定子电流，使定子铜耗下降；转子不需要励磁电流，没有转子铜损耗。第一章绪论（）转矩惯量比大，过载能力强，尤其低转速时输出转矩大，适合汽车的起动加速。综合比较几种交流调速系统，永磁电机依靠其优势近期仍是电动汽车驱动系统中的主流电机。各种永磁电机性能比较盯永磁同步电机种类繁多，各自有本身的优缺点，有自己的应用场合；并且同一

14、种永磁同步电机在不同的气隙磁密分布和不同的电流波形下的感应电势和转矩不同，动静态性能也有很大差异。因此选取一种适合于混合动力电动汽车的永磁同步电机是一个必须要讨论的问题。为了便于分析，作如下假定：设电机铁芯不饱和，忽略电机齿槽和电枢反应（由于稀土永磁材料的导磁系数接近于空气，交直轴感抗很小，故可忽略电枢反应）的影响，电机绕组为。相带、三相对称、接，忽略转子内的感应电流（由于转子是永磁体，导磁率高，转子电阻很大，故可等效为恒流源磁场），则磁场中任一导体（定予上）的感应电势为：，（）（）（）一相绕组的感应电势为：誓，芸拈，。矿中盯（）矗以（卜）式中，为总导体数：为并联支路对数：。为气隙磁密；为导体

15、长度；为转子外圆线速度；为极距：为极对数。为对应每极磁通量的系数；为每极磁通量；为转子转速（）。电机的电磁转矩为：。）瓦；挚（）（寸）式中，。、。分别为定子绕组各相电流的瞬时值：。、。分别为定子绕组各相感应电势的瞬时值；为转子的角速度；。为转矩脉动系数；名。为转矩的最大值；为转矩的最小值；乙为转矩的平均值。笙二里堡笙一表（卜）是在不同的绕组分布（集中整距绕组表（卜一）分布整距绕组表（卜）下，不同的气隙磁场分布和绕组电流波形时的特性。表永磁同步电机在集中整距绕组时的特性名称。气隙磁密，火必气糌。！譬产弋：、岩、，：口相电势，。，、相电流、“忑亨厂厂一。廿互于单相转矩多厂毛、珥厂一蠼。现。、乏、。

16、之、，、爿珥十一一。讲三相转矩每极磁通三占。疗姜矗江订二。矗疗相电势幅值。三丝咖堡巾一。中口转矩均值珞叫。”。三丝，”三型甜，”旦煎型叫。”。脉动系数世表卜一永磁同步电机在分布整距绕组时的特性名称气隙磁密掣岵（订沙、相电势，产厂珥泸气：。相电流“盯一广一卜一，一，厂，一。单相转矩、，二二产。，生、，。坷三相转矩正口】。矿每极磁通中三既三如矗詈舷订二或矗疗第一章绪论相电势幅值。中竹一一；，以转矩均值乙，一：一叫。”型吖，；等虬，一西。脉动系数注：假设每极每相导体数，相邻两根导体的电角度口”；正弦波条件下约分布系数为从混合动力电动汽车用永磁同步电机的性能要求看，希望电磁转矩大，脉动小；考虑到制造工

17、艺问题，要求结构简单、坚固；电机容量小的，一般采用集中整距绕组，反之，则采用分布整距绕组。因此，本系统采用表面式转子结构、气隙磁场即相感应电势为正弦波、绕组电流为正弦波，分布整距绕组的三相永磁同步电机，使电机的中、高、低速度时的性能均比较好。下文所讨论的永磁同步电机无特殊说明，均为此类型。本课题的意义和内容课题背景、意义本课题研究的内容来源于天津市科委混合动力电动汽车项目。项目总的要求为：研制出高效率、高功率密度、宽调速范围、高可靠性的混合动力电动汽车用电机驱动系统。电驱动系统是混合动力电动汽车研究开发的重点。如何将良好的电机设计与合理的控制策略相配合，才能得到好的驱动性能，如何评价混合动力电

18、动汽车的电驱动系统性能、并应用于指导其研发是一个重要的课题。本论文内容和结构本文主要针对混合动力电动汽车所要求的宽调速范围和低速大转矩等要求以及弱磁、能量回馈、调节器设计几个难点，深入分析永磁同步电动机的转矩特性，比较了多种矢量控制方法，选择一套适合混合动力电动汽车的调速方法并实现。第一章介绍了混合动力电动汽车电机驱动系统特点，比较了不同电机的性能，综合各种因素，选择了永磁同步电动机作为驱动电机。第二章介绍了永磁同步电机的数学模型，分析了永磁同步电动机的常用的电流控制策略。第一章绪论第三章详细分析了不同目目磁率、不同凸极率对电机电压、电流矢量变化轨迹的影响以及由此引起的电机的功率特性、弱磁扩速

19、能力的差异。由此得出提高永磁同步电动机弱磁扩速能力的根本途径，提出了最大功率的电流控制策略。在此基础上提出了回馈制动的电流控制策略。第四章讨论电流环控制器的设计问题，提出了预测前馈补偿控制策略，仿真证明了它对系统性能的提高。第五章简单介绍了基于的调速系统的实现，对硬件设计和软件设计作了讨论。第二章永磁同步电机的数学模型第二章的数学模型引言永磁同步电机（）的数学模型对于分析和设计电机的矢量控制系统是至关重要的。由于电机的温升、磁路的饱和、磁路的交叉耦合等因素，的数学模型是一个复杂的非线性模型，为了便于研究，必须在模型的简化性和准确性之间做出折衷，抓住主要因素，忽略或者简化一些次要因素，从而得出理

20、想化的、具有实用价值的数学模型。通常，人们习惯于在同步坐标系（轴坐标系）下研究永磁同步电动机的特性。三相静止坐标系（坐标系）的数学模型通过一组正交交换，将转换到轴旋转坐标系，通常称为方程，以后章节均是在此模型下的研究。的数学模型珀的永磁体和绕组，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。为了简化的数学模型，我们通常作如下的假设：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：定子绕组完全相同并且三相对称，各相绕组轴线相差。；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

21、布；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。满足以上条件的电机称为理想电机。由于矢量控制系统对被控对象参数变化有一定的适应能力，根据以上假设得到的数学模型可以用来进行矢量控制系统的分析和综合。在三相静止坐标系的数学模型永磁同步电机三相绕组的电压回路方程如下：）一一（蛔，中：哝一篓，（一第二章永磁同步电机的数学模型口瓷，：。耋薯，：凄罩。如（一一，础，。，一：荔塞其中。、。、为各相绕组端的电压，。、，。、疋为各相绕组电流，为吼（。）（，一。）（一。）臣！印？印。印一。）（一一）儿七如一哝中，（，一。，。）对于永磁同步电机来说，用固定于转子的参考坐标来描述和

22、分析其稳态和动态性能是十分方便的。此时，取永磁体基波励磁磁场轴线（磁极轴线）为轴（直轴），而轴（交轴）逆时针方向超前轴。电角度。轴系随同转子以电角速度（电角频率）吐一道旋转，它的空间坐标以轴与参考轴间的电角度以来确定。纯，图（）的矢量图第二章永磁同步电机的数学模型图（一）中，轴上的分量可以由定子三相绕组经坐标变换或矢量变换阱，厚雁“（猡。二节（。小删口（）则由轴系计算出的电磁转矩就是电动机的实际值。为满足这种功率不变约束，轴定子线圈的有效匝数应为原三相绕组每相有效匝数的倍。如果原三相系统变量为对称的正弦稳态值，在一定条件下。经此变换后的轴量为恒定值，该值为原正弦量有效值的倍。将式（）电压方程变

23、换到轴系中，可得：！一华（）一口上国轴的磁链方程为：，均（）式中，为转子（永磁体）在轴的磁连，厨，“、”。，、和、分别为、轴的电压，电流和磁链，岛、。分别为、轴的电感，且岛。、分别为、轴的电阻，且心。轴的转矩方程为：瓦。（。）。【即（匕一）式中正为电磁转矩。电机的运动模型为：（），衍（一瓦。，），”其中是电磁转矩，瓦是负载转矩，是粘滞摩擦系数，是转动惯量，。是极对数，。是电角速度，。是机械角速度。笙三至查丝旦生皇垫塑塑兰燮型一一一本章中所用到的仿真，无特殊说明，电机参数均为：，、：、一，、。、一（时）、一、口一（尸时）、。各参数的单位均为国际标准单位。的简化的数学模型式（）至式（一）就是永磁同

24、步电机在同步旋转坐标系下的数学模型，在稳态情况下，、为常值，式（）可变为：卜出（）”。（伊，）高速时，电阻压降很小，可以忽略，式（）可变为一工【（妒，）直流侧电压固定时，电压矢量受到限制：“。“；“将式（）代入式（）可得：（三岛白竹）（印。）电流调节器饱和后，对于每一个吐对应着坐标系下的一个圆心为（一伊，）的椭圆，。的增大椭圆逐渐减小，如（）中左图所示。同样，电流矢量也受到最大电流的限制：巧号对应着坐标系下的一个圆心为（，）的圆，如（）中右图所示。礼肼，。？菘磊：，（啬，、隔分图（）的电压、电流圆图第二章永磁同步电机的数学模型当口，电压椭圆变成圆，如图（）中右图所示电机的工作点应该在电流圆与电

25、压极限圆的交集中。的参数的定义在此对几个研究常用的参数做说明凸极率：生岛弱磁率：丛，其中：。、。为直交轴电感，竹为坐标系下永磁磁链，。是电流矢量的幅值。凸极率表示直交轴电感的关系，它会影响永磁同步电机的转矩、功率因数等性能。弱磁率表示电机的去磁能力。功率因数：（一卢）（）式中为电压矢量超前轴的角度，口为电流矢量超前轴的角度。功率因数高时，逆变器的容量得到充分利用，否则，逆变器将输出过多无用功。定义端电压比为电机负载时的端电压与空载时的端电压之比，忽略定予电阻后，可得：。妒，晒焉面了瓣西了瓦丽届？唧，端电压比与逆变器的容量密切相关，当较大时，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，

26、使电机定子电压近似为方波，最高转速受到限制。除了以上几个常用参数，文章中还用到了电机的标幺化参数：）：丝嗵币，“，永磁同步电机的常用电流控制策略州捌第二章永磁同步电机的数学模型由式（）的转矩公式可以看出，在电机参数确定的情况下，电机的转矩只与直轴电流和交轴电流有关。而且对于同一个转矩，有无数种直轴电流和交轴电流的组合，不同的组合直接影响到电机和逆变器的输出能力以及系统的效率、功率因数等。因此如何根据给定转矩确定直轴电流和交轴电流，并使系统具有满意的性能成为了电流控制的关键问题。其本质就是根据给定转矩确定（）、厶（）：（丁：）（）。（）基速以下较常用的电流控制策略：）制；）单位电流最大转矩控制；

27、）恒磁链控制等。是一种最简单的电流控制方法，该方法无去磁效应，输出转矩与定予电流成线性关系；主要缺点是随着输出转矩的增大，电机端电压比较大而功率因数却急剧降低，从而对逆变器的容量要求较高：同时未充分利用电机的磁阻转矩，从而转矩输出能力较小。单位电流最大转矩控制最大限度的利用了磁阻转矩，提高了单位电流的转矩输出能力，在输出相同转矩时，减小了定子电流，从而减小了电机的铜耗，提高了系统的效率。但计算量较大，实际实现比较困难。恒磁链控制中端电压比始终等于，保证了系统对逆变器电压的利用率达到最高，从而提高了电机的最大转矩输出能力，但同样存在计算量较大，实际实现比较困难的问题。综合以上分析，又考虑到电动汽

28、车低速时要求较大的转矩，采用单位电流最大转矩的电流控制策略作为基速以下的电流控制策略。下面主要分析单位电流最大转矩控制。单位电流最大转矩控制是在电机输出给定转矩条件下，控制定子电流的模值最小。问题等效为式（）满足：、（）的条件极值问题。式中。为电流矢量的幅值。根据拉格朗日极值定理，做辅助函数：、，瑶；丑一。【，（三）×】）（）式中为拉格朗臼乘子，对上式求偏导，并令其等于零可得：第二章永磁同步电机的数学模型薏志州铲引（）嚣丽协蹦铲。罟鸭魄也一）吲驴。对上式（）中、式求解便可以得到直轴电流和交轴电流的关系，舍去负号可得；吻：丑娶警鉴“（岛一厶）。埘、。随着。的增大，按照上式（）变化时，可

29、以得到最大的转矩。但是在控制中需要知道岛：，（丁。），将式（书）带入式（）的式中，便可求出、尼，此方程求解十分复杂，不易工程实现。通过仿真，控制电流及结果如下（其中厶一乞一）：）、随转矩变化的曲线）端电压比随转矩变化的曲线第二章永磁同步电机的数学模型）功军因数随转矩变化的曲线图（）晟大转矩电流控制的仿真图下面是满足式（）的曲线，即等转矩曲线。右图是在增大时对应的一组等转矩曲线，左图是在增大时的一组等转矩曲线。在等转矩曲线上距离原点最近的点，即与。培；相切的点，就是最大转矩电流曲线，如图（）所示。旦）不同时等转矩曲线）最大转矩，电流轨迹曲线图（）等转矩曲线本章小结本章首先讨论了理想情况下的的数学

30、模型，在此基础上给出了永磁同步电机运行的约束条件（电流圆和电压极限椭圆）；然后详细分析了基速以下的三种电流控制策略，选择了最大转矩电流控制策略作为基速以下电动汽车的电流控制方法。第三章的弱磁控制第三章的弱磁控制引言由于有限的逆变器直流测电压所引起的电流调节器的饱和特性，使在没有弱磁控制高速运行时转矩和功率过早的下降。永磁同步电动机利用弱磁控制，来扩大调速范围。弱磁控制是用定子电流的轴分量来削弱转子永磁体所产生的固定振幅的气隙磁通，类似予它励直流电机中弱磁的作用。永磁同步电动机具有尽可能宽广的调速范围对电动汽车驱动有特别重要的意义，在电机最大功率（即逆变器容量）不变的条件下要尽可能的提高电动汽车

31、的起动加速能力及低速爬坡能力。因此对电动汽车驱动用永磁同步电动机功率特性（功率转速特性）及弱磁扩速能力的分析具有更为重要的意义。弱磁的原因分析嘲首先，来分析一下不弱磁时的情况，如下示意图中，三个椭圆分别为、的电压极限圆，为给定的电流矢量，是大转矩电流与电压圆的交点，为、实际电流轨迹（后面将会详细讲述），为等转矩曲线，点是它和电压极限圆的切点。鬓，。“？，。一、飞、一图（一）弱磁的原因分析图给定电流矢量，最初电流将沿着最大转矩电流曲线到达点，此时转速为，假设电流调节器饱和，实际的、。将会落在过点的电流轨迹上（），而此时转速为，不难推出电流矢量瓦，最终沿着电压极限圆从至，并在点趋于稳定。由此可知，

32、电机的速度从点速度升到，不可能比点所对应的转速更大，而转矩迅速下降（由等转矩曲线可以看出）。第三章的弱磁控制下图是在直流侧电压有效值，也口，、，、时，系统转矩的斜坡响应曲线，可以看到电流调节器未缸和之前输出转矩随着给定增大而增大，到时，电流调节器饱和，转矩突然减小。图（）不弱磁的转矩变化对图（）第象限中电动机正向（顺时针）运行的研究，可以发现克服电流调节器饱和所引起问题的方法。通过迫使运行点沿椭圆圆周点运行而不是让它顺时针向点漂移，那么电机转矩就能超出电流饱和点的所取值而大大提高。事实上，转矩继续增加直到最大值点。电流矢量沿椭圆从点运行到点，相当于增加的负值，产生轴去磁磁链（），该磁链抵消沿正

33、向轴的磁通。普通弱磁的分析。司乜”口”不同的电机参数对电流轨迹会产生影响，会影响系统的弱磁扩速能力。有必要在研究弱磁控制策略之前讨论不同的电机参数对系统的普通弱磁能力的影响。电机电压电流矢量变化规律由于永磁同步电动机的功率特性及弱磁扩速能力不但决定于电机本身的参数，还与逆变器容量及直流母线电压大小有关，因此以下分析是基于电机的凸极率和弱磁率掌。悲图（）的矢量图第三章的弱磁控制根据前述最大转矩电流控制，永磁同步电动机在恒转矩控制及普通弱磁控制下，电压、电流相角满足下式：靴面劬乒堕）（）当孝面时，（）靴南吼舭。辈，（）言因此，永磁同步电动机在整个恒转矩控制区和普通弱磁控制区具有如图（）所示的电压、

34、电流矢量变化轨迹，可以看出题质巡乡篷乡）图（）恒转矩控制及普通弱磁控制时电压电流矢量变化轨迹）在恒转矩控制区，电流矢量保持为，不变，其相角属可表示为下式：屈。，尸：坐型塑掣，川母）（一电压矢量相角为口。，幅值由增加到其极限电压“，此时功率因数逐渐增大。）在普通弱磁控制区，电流矢量由，变化到，即幅值不变，相位由崩。；电压矢量幅值不变，但相位由开始根据弱磁率的不同而具有不同的变化规律：）孝时，随电流矢量由；划，电压矢量由变化到，即随电流相位由届。，电压相位也由，如图（）所示。）孝时，在整个弱磁区，电压矢量相角先由增大到某一最大值口，然后再减少到，变化轨迹如图（）所示，即电压矢量由，变化到。，然后反

35、转变化到，而且电压相角为（即电压矢量转折）时的电星三兰鬯！塑塑堡望型一一一一流相角屁只与弱磁率亭有关，而与凸极率无关，岛满足下式：尾孝（）毒时，在整个弱磁过程。电压相角由眠一直增大到。，如图（）所示。而且，达。时的电流相角尾也与无关（由于可能大于。，此时该点为假想点），且满足下式：局专（）由上面的分析可以知道电流矢量与轴的夹角口，电压矢量与轴的夹角，根据：（一）（）就可以知道功率因数的变化曲线。功率与电角速度的关系在普通弱磁控制下，电机电角速度与电流矢量角之间的关系为：一！塑（）（；）（伊，一。）标幺化后可得：（：！（）。（心伪（一孝）由此式，可以得出电流调节器饱和时，随着的变化电机电角速度国

36、的变化曲线，如图（）所示。其中，卢从。到。一：？。一一一一一一一一一一一一一一一。一一一一；一。一：一一；一一一一一一一一专一一：歹，。；：一一一一；图（）变化时的功率（左）和转速（右）的变化曲线电机的功率为：，“。（一）标幺化后可得：艺哦掣第三章的磁控制端，咄。妒由上节的讨论，可以知道随着的变化功率的变化曲线，如图（）所示。综合上面的结果，可得出随着电机电角速度的变化，功率。的变化曲线。转矩丁，因此可做出转矩的变化曲线（即原点到。曲线上每点的向量与横轴夹角的正切值），如下图（）所示。将其分为四个区间讨论：图（）转速变化时的功率、转矩、功率因数的变化曲线）起始阶段没有曲线，这一段属于恒转矩区，

37、电压没有达到最大值，口、。、。，因此吼固定不变，随着电机电角速度得增大，电压逐渐增大，直到。（即过、的电压极限圆，此圆不变，只是电机电角速度得增大，电压逐渐增大）。）第二阶段，逐渐增大，功率迅速增大，直到式（）所示的地方，此时转矩增大到最大值。）第三阶段，卢继续增大，转矩开始减小，但是出的增大速度更快，功率继续增大，但增大的速度减小，直到最大功率点（有关功率最大点，将在以后详细讨论）。）第四阶段，继续增大，转矩继续减小，功率开始减小，直到、只。，此时最大转速为：鱼翌：；：一一。南而，芦：（三，）（妒，）南时，。对不同的参数，可得出下列两组曲线。第一组：善、时，、尸的曲线。第三章的弱磁控制图（）

38、转速变化时的功率变化曲线第二组：、时，孝、古、善、善、善、孝的曲线。孝善第三章的弱磁控制一旺一一一，澎；粥泔一糖非翔外翻；毒路一高掌芒放大的图形孝毒放大的图形图（）转速变化时的功率变化曲线对以上的曲线分析，可以到的如下结论：）时，电机的最高转速、最高转速时的功率及最大功率仅决定于，与无关。因此，相同舌下，电机功率特性曲线基本相同。凸极率仅对产生最大功率时的转速值有影响，增大时该转速值降低，有利于提高电机的低速特性。但当善较小时（即永磁磁链比直轴磁链大很多），对功率特性曲线影响很弱，这是由于磁阻功率比永磁功率更强地决定于电机电流的大小。所以在较小时，有无凸极性对电机的功率特性影响可忽略不计。第三

39、章的弱磁控制同时可以看出，增大弱磁率善，不但线性增加了最大功率，而且增加了电机的最高转速，在时具有理想的最高转速。因此拥有尽可能大的凸极率和弱磁率，且采用最大转矩电流控制同普通弱磁控制相结合的电流控制策略的永磁同步电动机，具有良好的功率特性。）时，首先，最高转速随孝的增大而降低，且电机在相同下的功率特性受凸极率影响。其次最大功率与通入电流不再是线性关系，增加电机电流（即增加孝）并不能线性地增加电机的最大功率，功率的增加程度决定于的大小。可以看出在毒时，增大电流不但使调速范围变小，而且得不到与电流相应大小的最大功率。因此当毒时不宜采用普通弱磁控制。但增大，不但最大功率增加（尽管不是线性增加），而

40、且发生最大功率时的转速降低，因此有利于提高电机的低速转矩。最大功率弱磁的思路由上一节节图（）可知，电流调节器饱和后，电机的功率随着转速先增大后减小，我们能不能在电机达到最大的功率后，让它保持这个功率继续加速呢？本节我们讨论一下平面的功率曲线。输出功率为：。【伊，一）÷（）雨蓊雨可以看出，电流调节器饱和后，平面上的每一点的功率都是固定的，只与电机参数和（。、）位置有关。因此电机参数确定后，给定个只。，就有一条曲线与之对应，且称其等功率曲线。下图是只。从到时的等功率曲线：）例（）等功率曲线图）图（）是时（。，一）的等功率曲线图，呈”形，两边随着艺。的增大逐渐相中间靠拢，最终成为一条直线（

41、最大功率线，图中虚线所示）。因此普通弱磁时，、己沿着电流极限圆逆时针运动时，功率线增大后减小，直到零。如果当功率增大到最大，再沿着此点的等功率曲线运行，就可以保证最大的弱磁输出功率。图（）是时（、。）的等功率曲线图，曲线向左弯盐，弱磁的电流控制策略冽嘲”“”由上一章节知，在电流满足极限条件下的转矩极值问题讨论可以得出最大转矩电流控制策略。将其推广，可得在输出电压达到极限后的情况。设（，）是所要求的性能指标，（，）是、所满足的条件，由拉格朗日极值定理，构造如下函数：日（，力【（，）】（）（，）的极值问题转化为（，）饥（，）】的极值问题，对、旯求偏导，并令其为零可得；（）甜一融解一咖料一规解方程组可求出一组（，），对于，）中参数的变化，同理可以解出（并，）的一条曲线，满