【正文】 對于傳統(tǒng)的電激磁電機而言，弱磁控制是較容易實現(xiàn)的，但是對于永磁電機 (如永磁同步電機 )而言，永磁體一旦裝在電機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，這個時候要想弱磁只有利用電機的電樞反應 :在高速時，通過電樞電流在電機中產(chǎn)生一個反向的磁場，部分或者完全抵消永磁場，從而實現(xiàn)高速下恒功率運行。因此，交、直軸磁路的等效氣隙都很大， Xd、 Xq 都較電勵磁電機的小很多，并有 XdXq，其后果是，建立同樣大小的電樞反應氣隙磁場，永磁同步電機要求比電勵磁 同步電機大得多的電負荷，而在正常的電負荷 (由熱負荷能力確定 )下，永磁同步電機的交、直軸電樞反應微乎其微。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 是電機在單位速度下的反電動勢和直軸電抗。因此，其能力的大小對電機的總調(diào)速范圍沒有多大影響。 從式 ()中可以看出，當他勵直流電動機的端電壓達到極限電壓值時，要使電動機能繼續(xù)恒功率運行于更高的轉(zhuǎn)速，應設法降低電動機的勵磁電流，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，因而主要運用在對隱極永磁同步電動機的控制上。圖 )是 ?? 、 電動機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 /電流控制時較大。即 1)21c o s (c o s ???? ???? () 可得 ???21??，進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，可得電動機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，本節(jié)就幾種常用的矢量控制方法進行分析。 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所對應的定子電流矢量均導致相同的電動機轉(zhuǎn)矩，這里就牽涉到了尋求一個幅值最小的定子電流矢量的問題，因為定子電流越小，電動機的效率越高，所需的逆變器容量 也越低。對于某一給定轉(zhuǎn)速，電動機穩(wěn)態(tài)運行時，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)矩對應于一定的 *di 和 *qi ，通過這兩個電流的控制，使實際 id 和 iq 跟蹤指令值 *di 和 *qi ，便實現(xiàn)了電動機轉(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，永磁同步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩中含有兩個分量，第 1 項是永磁轉(zhuǎn)矩 Tm，第 2 項是由轉(zhuǎn)子不對稱所造成的磁阻轉(zhuǎn)矩 Tr。 LA、 LB、 LC ——電機定子繞組自感系數(shù) 。 （ 3） 采用 TI 公司專用于電機控制的 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)，并完成相應的系統(tǒng)軟硬件設計。定子交軸電流由電機角頻率給定值與實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 ： 當電機弱磁運行時，通過控制電機的功率因數(shù)角，調(diào)整電機的輸出轉(zhuǎn)矩和減弱電機的磁場。由于永磁同步電動機的主磁場是由永磁體產(chǎn)生，不能像直流電機或感應電機那樣弱磁，給永磁同步電動 機的高速恒功率運行帶來了新的 問題 。 3) 混合動力汽車 由于受到蓄電池性能的嚴重制約 ， 使純蓄電池型電動汽車的產(chǎn)業(yè)化進程舉步維艱 ， 于是混合動力汽車成了內(nèi)燃機汽車和電動汽車之間的過渡產(chǎn)品，既充分發(fā)揮了現(xiàn)有內(nèi)燃機技術(shù)優(yōu)勢 ， 又盡可能發(fā)揮電機驅(qū)動無污染的優(yōu)勢。北京理工大學等單位初步完成了北京理工科凌電動車輛股份有限公司密云電動車輛產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地的建設 ，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行車組驗收。一汽 、 東風 、 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，國家共計撥款 億元作為這一重大科技專項的經(jīng)費。 20xx 年 4 月，本田汽車公司在美國市場上投放了 Civic 混合動力汽車。目前推出的產(chǎn)品已經(jīng)是多次改進后的第二代產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝更為成熟。因此，開發(fā)與電動汽車整機配套的永磁電機調(diào)速系統(tǒng)具有現(xiàn)實可行的意義。高性能調(diào)速系統(tǒng) (包括多種電動機系統(tǒng)及內(nèi)燃機系統(tǒng) )研制 ； 整車性能優(yōu)化及集成管理單元的開發(fā)等。各種電動汽車頻頻涌現(xiàn)，并迅速推上市場。汽車的發(fā)展時刻面臨著安全、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) 速領域的一個重大突破 。 本論文詳細討論了永磁同步電動機的矢量控制，在推導其精確數(shù)學模型的基礎上 ， 分析了永磁同步電動機的幾種 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)和應用排放新技術(shù)，如三元催化器、廢氣再循環(huán)、柴油機廢氣煙霧微粒過濾裝置等，另一方面推進各種汽車清潔技術(shù)的開發(fā)和應用，各種超低排放汽車不斷面世，如電動汽車、清潔燃料汽車等。 電動汽車的研制開發(fā)對我國具有更為重要的意義。 電動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，電動汽車價格昂貴，間接污染嚴重等。 此外，我國在稀土永磁材料領域具有得天獨厚的資源優(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)混合動力汽車協(xié)議的第一個產(chǎn)品。 我國電動汽 車重大科技專項實施 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電動示范車隊的示范運行。混合動力汽車將現(xiàn)有內(nèi)燃機與一定的儲能元器件通過先進 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 ， 同時技術(shù)成熟 、 價格便宜。 弱磁控制可以實現(xiàn)永磁同步電動機在低速時能輸出恒定轉(zhuǎn)矩，高速時能輸出恒定功率，有較寬的調(diào)速范圍。該方法可實現(xiàn)對逆變器直流母線電 壓的最大利用 ； 采用電壓模型計算電機功率因數(shù)角，受電機參數(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導致電壓補償器工作不正常，嚴重時可能引起整個系統(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)的改進方案，從而使系統(tǒng)工作在最大電壓利用狀態(tài)。 （ 4）對所設計的電動汽車用永磁同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)進行了實驗驗證。 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機，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，應該使電動機的直軸電流分量為負值，即 β大于 900。 對 于 穩(wěn)態(tài)時永磁同步電動機 ， 在 dq 坐標系下的電壓方程進行標么化處理后得 ??????????***********?????dqqqddiiruiiru () 從永磁同步電動機的相量圖 (圖 ))，可得電動機的功率因數(shù)為 )21c o s (c o s ???? ??? () 并且，可以推導出電動機功率角占的正切 )1(ta n ** dq ii ?? ?? () 永磁同步電動機矢量控制原理 永磁同步電動機調(diào)速 系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的問題就是實現(xiàn)電動機瞬時轉(zhuǎn)矩的高性能控制。 由于實際饋入電動機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，電動機轉(zhuǎn)子的位置信號由位于電動機非負載端軸伸上的速度、位置傳感器 (如光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等 )提供。隨著電動機轉(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)矩軌跡上距離坐標原點最近的點，即為產(chǎn)生該轉(zhuǎn)矩時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算量小，很適宜用普通單片機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)矩存在一個極大值。圖 7 是采用不同的凸極率計算出的曲線，永磁同步電動機的凸極率直接影響電動機定子電流和電磁轉(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，他勵直流電動機可以通過降低勵磁電流而弱磁擴速。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，電機總的調(diào)速范圍會有所減小，電機的輸出轉(zhuǎn)矩特性會越來越軟。電機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 時的直軸電樞反應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 動機的弱磁擴速控制可以用圖 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，同時電機設計需保證有大的 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 )，同時在額定速以下不影響電機出力。其中永磁段是電機出力的主要部分，其設計思路基本上與傳統(tǒng)的永磁同步電動機相同 ； 磁阻 段是電機弱磁的主體部分