【正文】 沿課題。5 課題背景及意義 6 電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì) 11 課題主要工作 13 永磁同步電動(dòng)及數(shù)學(xué)模型 35 本章小結(jié) 44 軟件控制簡(jiǎn)要說(shuō)明 電動(dòng)汽車(chē)由于具有低排放甚至零排放、低噪聲和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今汽車(chē)研究、開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)排放引起的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，極大地影響著人們的生活質(zhì)量。其中 關(guān)鍵問(wèn)題是一次充電續(xù)行里程和價(jià)格，目前在車(chē)載蓄電池技術(shù)未能突破的條件下，電動(dòng)汽車(chē)調(diào)速系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)基本性能和解決這一關(guān)鍵問(wèn)題的重要因素。開(kāi)發(fā)出一系列機(jī)電一體化 —集驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)、測(cè)速、轉(zhuǎn)向?yàn)橐惑w的高度集成化的驅(qū)動(dòng)模塊，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能車(chē)用永磁電機(jī)系統(tǒng)，可以加快我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示 ，豐田汽車(chē)公司已占有全球混合動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng) 9 0％的份額。 美國(guó)的汽車(chē)公司在電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化方面比來(lái)自日本的同行遜色不少 ， 三大汽車(chē)公司僅僅小批量生產(chǎn) 、 銷(xiāo)售過(guò)純電動(dòng)汽車(chē)，而混合動(dòng)力和燃料電池電動(dòng) 汽車(chē)目前還未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，來(lái)自日本的混和動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)在美國(guó)市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)地位。 燃料電池汽車(chē)已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出性能樣車(chē) ， 燃料電池轎車(chē)?yán)塾?jì)運(yùn)行 4000 k m，燃料電池客車(chē)?yán)塾?jì)運(yùn)行8000k m；混合動(dòng)力客車(chē)已在武漢等地公交線(xiàn)路上試驗(yàn)運(yùn)行超過(guò) 14 萬(wàn) k m；純電動(dòng)轎車(chē)和純電動(dòng)客車(chē)均已通過(guò)國(guó)家有關(guān)認(rèn)證試驗(yàn)。 20xx 年 11 月 8 日，湖北省啟動(dòng)武漢電動(dòng)汽車(chē)試驗(yàn)示范運(yùn)行工作 ， 先后投入 6 輛由東風(fēng)電 動(dòng)車(chē)輛股份有限公司研制的混合動(dòng)力客車(chē) ， 已累計(jì)運(yùn)行 14 萬(wàn) k m，載客 15 萬(wàn)人次 ；混合動(dòng)力轎車(chē)按 ECE城市工況與基本車(chē)型進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)顯示 ， 其燃料經(jīng)濟(jì)性提高 40％左 右 ，達(dá)到了節(jié)油的目的。 電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì) 1) 純蓄電池驅(qū)動(dòng)的超微型汽車(chē) 這種汽車(chē)降低 了汽車(chē)的動(dòng)力性和續(xù)駛里程的要求 ，充電過(guò)程比較簡(jiǎn)單 ，車(chē)速不高 ，較適合于市內(nèi)或社區(qū)小范圍內(nèi)使用。 4) 燃料電池汽車(chē) 燃料電池汽車(chē)在成本和整體性能上 ， 特別是行程和補(bǔ)充燃料時(shí)間上明顯優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車(chē) ， 并且燃料電池所用的燃料 (甲醇 、 汽油 、 柴油 、 天然氣等 )來(lái)源廣泛 ， 可實(shí)現(xiàn)無(wú)污染 、零排放等環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。較強(qiáng)的弱磁性能能夠在逆變器容量不變的情況下提高系統(tǒng)性能 ； 或者說(shuō)在保持系統(tǒng)性能不變的前提下降低電機(jī)的最大功率，從而降低逆變器的容量。 基于虛擬瞬時(shí)功率的弱磁控制方法?？刂仆猸h(huán)的電壓可以確保電流調(diào)節(jié)器在任何工況下不至于飽和，從而取得較滿(mǎn)意的控制效果。 2 電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速控制策略分析 永磁同步電動(dòng)及數(shù)學(xué)模型 永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子與傳統(tǒng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，有空間對(duì)稱(chēng)分布的 A、 B、 C 三相繞組，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，永磁體的勵(lì)磁磁場(chǎng)與定子繞組中電流產(chǎn)生電磁藕合作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 f? ——轉(zhuǎn)子永磁體磁極的勵(lì)磁磁鏈 。 電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為 as d q ? ? ? di si s? qi fi f? ? ? qi ? d q 0E di si sU dq Lji? ssRi dd Lji? ])([])([]2s i n)(21s i n[02qdqdqqdqdqfsqdsfmdiiXXiepiiLLipiLLiiLpT e m????????????? () 電壓可表示為 ??????????qfddqdqqdiRiLuiRiLu11??? () 相應(yīng)的輸入功率 12201 2s i n)(21s i n RiiXXieiuiuP ssqdsqqdd ?????? ?? () 電磁功率 qdqdqsqdsfmdememiiXXieiLLiiLppTP)(]2s i n)(21s i n[02???????? ??? () 為了推導(dǎo)方便，對(duì) dq 坐標(biāo)系下的永磁同步電動(dòng)機(jī)的方程標(biāo)么化，上標(biāo) *表示 標(biāo)么化以后的物理量。對(duì)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的要求可歸納為：響應(yīng)快、精度高、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、系統(tǒng)效率和功率因數(shù)高等。通過(guò)電流控制環(huán)，可以使電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸入三相 電流 iA、 iB、 iC 與給定的指令值 *Ai 、 *Bi 、 *Ci 一致，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。 電流極限圓 電動(dòng) 機(jī)的電流軌跡方程為 2lim22 iii qd ?? () 式 中， limlim 3Ii ? ， Ilim 為電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到的最大相電流基波有效值，式 ()表示的電流矢量軌跡為一以 idiq 平面上坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心的圓 (示于圖 中 )。把產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)矩值所需要的最小電流點(diǎn)連接起來(lái)，就形成了電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡，見(jiàn)圖 。另外，該方法沒(méi)有電樞反應(yīng)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的去磁問(wèn)題，而且電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行期間都具有較高的效率和較高的功率因數(shù)。當(dāng)定子電流從 0 開(kāi)始增大時(shí)，輸出電磁轉(zhuǎn)矩也隨之增大；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值*maxemT 時(shí)，對(duì)應(yīng)的定子電流的幅值為 *maxsi ，過(guò)了點(diǎn) *maxemT 后，電磁轉(zhuǎn)矩將隨定子電流的增大而減小。 圖 最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制時(shí) PMSM 定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線(xiàn) a)交、直軸電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 b)定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 圖 電流與轉(zhuǎn)矩的影響 圖 因數(shù)與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡方程與電流圓交與 A 點(diǎn)（圖 ），通過(guò) A 點(diǎn)的電壓極限橢圓所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為 ω1。 （ 3） 最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制策略可以是電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩滿(mǎn)足一定要求的條件下，逆變器的輸出電流最小，這有利于逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件的工作，減小了電機(jī)的銅耗。 與電勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)因由永磁體產(chǎn)生而無(wú)法調(diào)節(jié)，只有通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來(lái)維持高速運(yùn)行時(shí)電壓的平衡，達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。另外， 由于電動(dòng)機(jī)相電流也有一定的限制，增加直軸去磁電流分量而同時(shí)保證電樞電流不超過(guò)電流極限值，交軸電流的分量就相應(yīng)減小。圖中， A 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為 Tem1，為電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速 ω1 時(shí)可輸出的最大轉(zhuǎn)矩 (電壓和電流均達(dá)到了極限值，故 ω1 即為電動(dòng)機(jī)最大恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)折速度 )。由于最高轉(zhuǎn)速與凸極率無(wú)關(guān)，因此增加電動(dòng)機(jī)的凸極率可明顯提高電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力。用電勢(shì)關(guān)系表述即為 : Nd IXE ??0 () 所以，普通永磁同步電機(jī)不滿(mǎn)足產(chǎn)生寬廣恒功率弱磁調(diào) 速范圍的條件式 ()和式 ()。轉(zhuǎn)子復(fù)合式 永磁同步電動(dòng)機(jī)恰恰能滿(mǎn)足這個(gè)要求，磁阻段設(shè)計(jì)保證有一個(gè)大的 qd XX 。 (1) 轉(zhuǎn)子復(fù)合式永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁方案 這種弱磁方案的定子 結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相同，轉(zhuǎn)子采用復(fù)合式結(jié)構(gòu) ——永磁段轉(zhuǎn)子 +磁阻段轉(zhuǎn)子 ，兩者之間有間隙，以防止漏磁 。 圖 轉(zhuǎn)折速度與 ξ、 ρ 的關(guān)系 圖 弱磁擴(kuò)速倍數(shù)與 ξ、 ρ 的關(guān)系 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速困難原因分析 上述永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速都是從理論上進(jìn)行分析的，實(shí)際上永磁同步電動(dòng)機(jī)是難于弱磁擴(kuò)速度的，原因就在于其磁路結(jié)構(gòu)的特殊性。電動(dòng)機(jī)超過(guò)某一轉(zhuǎn)速后，在任一給定轉(zhuǎn)速下，在電動(dòng)機(jī)電壓軌跡橢圓軌跡上存在著一點(diǎn)，該點(diǎn)所表示的定子電流矢量使電動(dòng)機(jī)輸入的功率最大，相應(yīng)地輸出功率也最大。在不打破電流限制 limIIs ? 的情況下，能夠獲得寬廣的弱磁范圍的條件是，直軸電流為 Ilim 時(shí)的直軸電樞反應(yīng)去磁磁通能夠完全消弱磁通 (指基波分量 )。 措施 2：使電樞電流的交軸分量 iq 逐漸減小，從而減小其電樞反映的助磁作用及氣隙合成磁場(chǎng) (這是一種等效弱磁 )，這種弱磁能力的大小與交軸電感 iq 成正比。 永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制的基本原理 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制的思想來(lái)源于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁控制。 圖 定子電流矢量軌跡 聯(lián)立式（ ）和式（ ），可以得到電動(dòng)機(jī)采用最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制 且電流達(dá)到極限值時(shí)（即最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡與電流極限圓相交時(shí)）電動(dòng)機(jī)的直、交軸 電流為 ????????????????22l i m2l i m22)(4)(8dqqdqdffdiiiLLiLLi? () 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的端電壓和電流均達(dá)到極限值式，由上式和電壓方程可推導(dǎo)出此時(shí)di qi 電流極限圓 電壓極限圓 最大功率輸出軌跡 最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡 1A 1? 3? o 4A 3A 電壓極限橢圓 軌跡最大功率輸出 電流極限圓 1A 最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡 di qi 1? 3? 3A 4A o 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)折速度 )(168)()( 222l i ml i mqddfqdfqbLLCLCLLiLpu????????? () 式中 2l i m22 )(8 iLLC qdff ?????? ? （ 1） id=0 控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方法，該方法無(wú)去磁效應(yīng)，控制算法簡(jiǎn)單， 電磁轉(zhuǎn)矩與定 子電流成正比。最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制的控制算法是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程，滿(mǎn)足定子電流的條件極值下導(dǎo)出。電動(dòng)機(jī) 可達(dá)到的最搞電壓越大，輸出轉(zhuǎn)矩越小，則最高轉(zhuǎn)速越高。當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，與電流平方成正比的磁阻轉(zhuǎn)矩要比與電流呈線(xiàn)性關(guān)系的用磁轉(zhuǎn)矩增加得更快，故最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡越來(lái)越偏離 q 軸。 1 2 3 1 2 3 最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡 *di Tem*= Tem*= 圖 永磁同步電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩軌跡 圖 在 *di 、 *qi 平面上給出了一組轉(zhuǎn)矩標(biāo) 么值各不相同的轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)。 電壓極限橢圓 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓矢量的幅值 22 qd uuu ?? () 將式 ()代入上式，可得穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的電壓方程 210212121)()()()(qdddqqqfdddqqiReiXiRiXiRiLiRiLu???????????? ???? () 由于電動(dòng)機(jī)一般運(yùn)行于較高的轉(zhuǎn)速，電阻遠(yuǎn)小于電抗，因此電阻上的電壓降 可以忽略不計(jì)，上式可簡(jiǎn)化為 20222)()()()(eiXiXiLiLuddqqfddqq??????? ???? () 以 ulim 代替上式中的 u，有 2l im22 )()()( ?? uiLiL fddqq ??? () 圖 電壓極限橢圓和電流極限圓 當(dāng) qd LL ? 時(shí)，上式是一個(gè)橢圓方程，當(dāng) Ld=Lq 時(shí)（即電動(dòng)機(jī)為表面突出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)），上式是一個(gè)以 ( df L?? ， 0)為圓心的圓方程，下面以 qd LL ?為例進(jìn)行分析。 失量控制實(shí)際上是對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流矢量相位和幅值的控制。在內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中，根據(jù)不同運(yùn)行區(qū)域，靈活有效地利用這個(gè)磁阻轉(zhuǎn)矩可以增加電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩或擴(kuò)大其調(diào)速的范圍。 經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到 永磁同步電動(dòng)機(jī)在 dq 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 如下： 電壓方程