【正文】 對于傳統(tǒng)的電激磁電機(jī)而言，弱磁控制是較容易實(shí)現(xiàn)的，但是對于永磁電機(jī) (如永磁同步電機(jī) )而言，永磁體一旦裝在電機(jī)里就不能夠拆卸下來，而且它所產(chǎn)生的磁場大小是恒定的，這個(gè)時(shí)候要想弱磁只有利用電機(jī)的電樞反應(yīng) :在高速時(shí)，通過電樞電流在電機(jī)中產(chǎn)生一個(gè)反向的磁場，部分或者完全抵消永磁場，從而實(shí)現(xiàn)高速下恒功率運(yùn)行。因此，交、直軸磁路的等效氣隙都很大， Xd、 Xq 都較電勵(lì)磁電機(jī)的小很多，并有 XdXq，其后果是，建立同樣大小的電樞反應(yīng)氣隙磁場，永磁同步電機(jī)要求比電勵(lì)磁 同步電機(jī)大得多的電負(fù)荷，而在正常的電負(fù)荷 (由熱負(fù)荷能力確定 )下，永磁同步電機(jī)的交、直軸電樞反應(yīng)微乎其微。從圖中可以看出轉(zhuǎn)折速度和弱磁率、凸極率有明顯的關(guān)系。這一條件可表述為 ： lim0 IXE d? () 式中， E0、 Xd 是電機(jī)在單位速度下的反電動(dòng)勢和直軸電抗。因此，其能力的大小對電機(jī)的總調(diào)速范圍沒有多大影響。 從式 ()中可以看出，當(dāng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的端電壓達(dá)到極限電壓值時(shí)，要使電動(dòng)機(jī)能繼續(xù)恒功率運(yùn)行于更高的轉(zhuǎn)速，應(yīng)設(shè)法降低電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，以保證電壓的平衡。另外，電磁轉(zhuǎn)矩中的磁阻轉(zhuǎn) 矩部分未能利用，因而主要運(yùn)用在對隱極永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制上。圖 )是 ?? 、 電動(dòng)機(jī)定子合成電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線，將其與 id=0 的控制方式相比較，逆變器輸出同樣大小的電流，獲得的電磁轉(zhuǎn)矩采用最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制時(shí)較大。即 1)21c o s (c o s ???? ???? () 可得 ???21??，進(jìn)而可推出定子電流為 ??? ? 22* s inco s co s??si () 將上式與電磁轉(zhuǎn)矩方程 **** )1( qdqem iiiT ??? ? 聯(lián)合求解，可得電動(dòng)機(jī)定子的合成電流矢量幅值 *si 與輸出電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，如圖 5a)所示，圖中曲線是在 ?? 時(shí)繪制的?？刹捎玫目刂品椒ㄖ饕校?id=0 控制、 1cos ?? 控制、恒磁鏈控制、最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制、弱磁控制、最大輸出功率控制等，不同的電流控制方法有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，本節(jié)就幾種常用的矢量控制方法進(jìn)行分析。 最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡 在圖 中，不論是在第二象限還是在第三象限，某指令值的恒轉(zhuǎn)矩軌跡上的任何一點(diǎn)所對應(yīng)的定子電流矢量均導(dǎo)致相同的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，這里就牽涉到了尋求一個(gè)幅值最小的定子電流矢量的問題，因?yàn)槎ㄗ与娏髟叫?，電?dòng)機(jī)的效率越高，所需的逆變器容量 也越低。對于某一給定轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子電流極限圓 電壓極限橢圓 si A B C D E F O qi di a? 轉(zhuǎn)速增加 電流矢量不能超過該轉(zhuǎn)速下的橢圓軌跡，最多只能落在橢圓上。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對應(yīng)于一定的 *di 和 *qi ，通過這兩個(gè)電流的控制，使實(shí)際 id 和 iq 跟蹤指令值 *di 和 *qi ，便實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。磁鏈與電流的關(guān)系也是線性關(guān)系。從圖中可以看出，定子電流空間矢量與磁鏈空間矢量同相，而定子磁鏈與永磁體產(chǎn)生的磁鏈的空間電角度為 β，且 ???????s inc o ssqsdiiii () 將上式代入式 ()的電磁 轉(zhuǎn)矩公式中 ])([]2s i n)(21s i n[ 2qdqdqfsqdsfmdemiiLLipiLLiiLpT??????? ?? () 由上式可以看出，永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩中含有兩個(gè)分量，第 1 項(xiàng)是永磁轉(zhuǎn)矩 Tm，第 2 項(xiàng)是由轉(zhuǎn)子不對稱所造成的磁阻轉(zhuǎn)矩 Tr。 LA、 LB、 LC ——電機(jī)定子繞組自感系數(shù) 。 （ 3） 采用 TI 公司專用于電機(jī)控制的 TMS320LF24O7A 型數(shù)字信號處理器(DSP)作為核心，開發(fā)了全數(shù)字化的 PMSM 矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，并完成相應(yīng)的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。定子交軸電流由電機(jī)角頻率給定值與實(shí)際值之間的偏差決定，定子直軸電流由每安培最大轉(zhuǎn)矩控制方案決定。其主要思想是 ： 當(dāng)電機(jī)弱磁運(yùn)行時(shí)，通過控制電機(jī)的功率因數(shù)角，調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和減弱電機(jī)的磁場。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的主磁場是由永磁體產(chǎn)生，不能像直流電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)那樣弱磁，給永磁同步電動(dòng) 機(jī)的高速恒功率運(yùn)行帶來了新的 問題 。 3) 混合動(dòng)力汽車 由于受到蓄電池性能的嚴(yán)重制約 ， 使純蓄電池型電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程舉步維艱 ， 于是混合動(dòng)力汽車成了內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車之間的過渡產(chǎn)品，既充分發(fā)揮了現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)技術(shù)優(yōu)勢 ， 又盡可能發(fā)揮電機(jī)驅(qū)動(dòng)無污染的優(yōu)勢。北京理工大學(xué)等單位初步完成了北京理工科凌電動(dòng)車輛股份有限公司密云電動(dòng)車輛產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地的建設(shè) ，并于 20xx 年 12 月 30 日順利通過北京市公共交通總公司組織的示范運(yùn)行車組驗(yàn)收。一汽 、 東風(fēng) 、 長安 、 奇瑞等汽車公司對此都投入了較大 的人力 、 物力 。為此 ， 從 20xx 年 10 月起，國家共計(jì)撥款 億元作為這一重大科技專項(xiàng)的經(jīng)費(fèi)。 20xx 年 4 月，本田汽車公司在美國市場上投放了 Civic 混合動(dòng)力汽車。目前推出的產(chǎn)品已經(jīng)是多次改進(jìn)后的第二代產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝更為成熟。因此，開發(fā)與電動(dòng)汽車整機(jī)配套的永磁電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)可行的意義。高性能調(diào)速系統(tǒng) (包括多種電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng) )研制 ； 整車性能優(yōu)化及集成管理單元的開發(fā)等。各種電動(dòng)汽車頻頻涌現(xiàn)，并迅速推上市場。汽車的發(fā)展時(shí)刻面臨著安全、環(huán)保和節(jié)能三大主題。 45 轉(zhuǎn)子位置與速度檢測 41 速度給定模塊 29 最大輸入功率弱磁控制 21 恒轉(zhuǎn)矩軌跡 矢量控制理論是交流 調(diào) 速領(lǐng)域的一個(gè)重大突破 。 本論文詳細(xì)討論了永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制，在推導(dǎo)其精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上 ， 分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的幾種 矢量 控制策略，包括了id=0 控制、 cosφ=1 控制以及最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制方式。6 國內(nèi)外主要國家電動(dòng)汽車發(fā)展情況 19 電流極限圓 24 最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制 世界各國政府和科技工作者都在探索 新途徑，一方面控制汽車污染物的排放降低油耗，世界各大汽車公司均積極研發(fā)和應(yīng)用排放新技術(shù)，如三元催化器、廢氣再循環(huán)、柴油機(jī)廢氣煙霧微粒過濾裝置等，另一方面推進(jìn)各種汽車清潔技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，各種超低排放汽車不斷面世，如電動(dòng)汽車、清潔燃料汽車等。 電動(dòng)汽車的研制開發(fā)對我國具有更為重要的意義。 電動(dòng)汽車面臨的主要問題有：續(xù)駛里程有限，蓄電池使用壽命太短，蓄電池尺寸和質(zhì)量的制約，電動(dòng)汽車價(jià)格昂貴，間接污染嚴(yán)重等。 此外，我國在稀土永磁材料領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢。 根據(jù)豐田汽車公司的測試 ， PRIUS 轎車在城市工況下比同等排量的花冠轎車節(jié)油 %；在市郊節(jié)油 ％，綜合節(jié)油％。日產(chǎn)汽車公司于 20xx年向美國市場銷售 Ahima 牌混合動(dòng)力汽車，這是其于 20xx 年與豐田汽車公司簽署聯(lián)合生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車協(xié)議的第一個(gè)產(chǎn)品。 我國電動(dòng)汽 車重大科技專項(xiàng)實(shí)施 4 年來 ，經(jīng)過 200 多家企業(yè) 、 高校和科研院所的 20xx 多名技術(shù)骨干的努力 ， 目前已取得重要進(jìn)展 。 各車型均已完成功能樣車開發(fā) 。小批量研發(fā)生產(chǎn)的 4 種車型 、近40 輛公交車即將投入北京市奧運(yùn)電動(dòng)示范車隊(duì)的示范運(yùn)行。混合動(dòng)力汽車將現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)與一定的儲(chǔ)能元器件通過先進(jìn) 控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以大幅度降低 油耗 ， 減少污染物排放 ， 同時(shí)技術(shù)成熟 、 價(jià)格便宜。 弱磁控制可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)能輸出恒定轉(zhuǎn)矩，高速時(shí)能輸出恒定功率，有較寬的調(diào)速范圍。該方法可實(shí)現(xiàn)對逆變器直流母線電 壓的最大利用 ； 采用電壓模型計(jì)算電機(jī)功率因數(shù)角，受電機(jī)參數(shù)的影響相對較小。由于溫升和直流母線電壓引起的電壓變化會(huì)導(dǎo)致電壓補(bǔ)償器工作不正常，嚴(yán)重時(shí)可能引起整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，將直流母線電壓作為一反饋量用于電壓外環(huán)調(diào)節(jié)的改進(jìn)方案，從而使系統(tǒng)工作在最大電壓利用狀態(tài)。 （ 4）對所設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 MXY ——定子 X 繞組與 Y 繞組間的互感系數(shù) 。對凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)，一般 LqLd，因此為了充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不對稱所造成的磁阻轉(zhuǎn)矩，應(yīng)該使電動(dòng)機(jī)的直軸電流分量為負(fù)值，即 β大于 900。 對 于 穩(wěn)態(tài)時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī) ， 在 dq 坐標(biāo)系下的電壓方程進(jìn)行標(biāo)么化處理后得 ??????????***********?????dqqqddiiruiiru () 從永磁同步電動(dòng)機(jī)的相量圖 (圖 ))，可得電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)為 )21c o s (c o s ???? ??? () 并且，可以推導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)功率角占的正切 )1(ta n ** dq ii ?? ?? () 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理 永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的問題就是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的高性能控制。 由于實(shí)際饋入電動(dòng)機(jī)的電樞繞組的電流是三相交流電流 iA、 iB、 iC，因此，三 相電流的指令值 *Ai 、 *Bi 、 *Ci 必須由下面的變換從 *di 和 *qi 得到 : ?????????????????????????????????????????*****)32c o s ()32s i n (s i n)32c o s ()32c o s (c o s32qdCBAiiiii?????????? （ ） 上式中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號由位于電動(dòng)機(jī)非負(fù)載端軸伸上的速度、位置傳感器 (如光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等 )提供。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，電壓極限橢圓的長軸和短軸與轉(zhuǎn)速成反比的相應(yīng)縮小，從而形成了一組橢圓曲線。在圖 中，某指令值的恒轉(zhuǎn)矩軌跡上距離坐標(biāo)原點(diǎn)最近的點(diǎn)，即為產(chǎn)生該轉(zhuǎn)矩時(shí)所需的最小的電流空間矢量。 id=0 控制 id=o 控制又叫 磁場定向控制，這是一種比較簡單的電流矢量控制方法，該方法電流算法的計(jì)算量小，很適宜用普通單片機(jī)作為主控單元的系統(tǒng) 。從圖中可以看出，在 1cos ?? 的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩存在一個(gè)極大值。圖 7 是采用不同的凸極率計(jì)算出的曲線，永磁同步電動(dòng)機(jī)的凸極率直接影響電動(dòng)機(jī)定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，凸極率越大，磁阻轉(zhuǎn)矩部分就越大，直軸 電流的貢獻(xiàn)增大。 （ 2） 1cos ?? 控制由于系統(tǒng)的功率因數(shù)恒為 1，使逆變器的容量得到充分的利用，但該方法的最大電磁轉(zhuǎn)矩很小。換句話說，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)可以通過降低勵(lì)磁電流而弱磁擴(kuò)速。相反，隨著這種能力的增大 (Xq的增大 )，恒轉(zhuǎn)矩范圍變窄，弱磁范圍變寬，電機(jī)總的調(diào)速范圍會(huì)有所減小，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性會(huì)越來越軟。電機(jī)能夠在寬廣的弱磁范圍內(nèi)輸出盡可能大的功率的條件是 Id=Ilim 時(shí)的直軸電樞反應(yīng)去磁磁通能夠正好抵消永磁通，或表述為 : lim0 IXE d? () 永磁同步電 動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速控制可以用圖 所示的定子電流矢量軌跡加以闡述。凸極率、弱磁率越大，轉(zhuǎn)折速度越低。如果永磁體提供正常的勵(lì)磁磁場 (由永磁體的性能及定、轉(zhuǎn) 子鐵心飽和磁密決定 )，則額定電流產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)磁通只能消弱永磁通的極小部分，即弱磁率太低。為了抵消永磁磁場，要求高速下電樞反應(yīng)磁場方向與永磁磁場方向相反，則要求電樞電流的 d 軸分量盡可能大，同時(shí)電機(jī)設(shè)計(jì)需保證有大的 Xd，以使得 XdLd 分 量盡可能大 (相對額定速度下的電機(jī)電樞電流希望 有盡可能大的交軸電流以產(chǎn)生一交軸磁鏈 )，同時(shí)在額定速以下不影響電機(jī)出力。其中永磁段是電機(jī)出力的主要部分，其設(shè)計(jì)思路基本上與傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)相同 ； 磁阻 段是電機(jī)弱磁的主體部分