【正文】 ???????????????????????????qqqdddqddqdqddiRdtdiRdtdiRdtduiRdtdu2222221100?? () 磁鏈方程 ?????????????????????qmqqqqfmddmddddqmqqqqfmddmddddiLiLiLiLiLiLiLiLiLiL22222222 () 電磁轉(zhuǎn)矩方程 )( qqddem iipT ???? () 機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程 ????? ?RTTdtdJ Lem () 式中 ， u ——電壓 ； i ——電流 ； ψ ——磁鏈 ； d、 q ——下標(biāo)，分別表示定子的 d、 q 軸分量 ； 2d、 2q ——下標(biāo)，分別表示轉(zhuǎn)子的 d、 q 軸分量 ； Lmd、 Lmq ——定、轉(zhuǎn)子間 d、 q 軸互感 ； Ld、 Lq ——定子繞組 d、 q 軸電感， Ld=Lmd+L1， Lq=Lmq+L1； L2d、 L2q ——轉(zhuǎn)子繞組 d、 q 軸電感， L2d=Lmd+L2， L2q=Lmq+L2； Ll、 L2 ——定、轉(zhuǎn)子漏電感 ； if ——永磁體的等效勵(lì)磁電流 (A)，當(dāng)不考慮溫度對(duì)永磁體的影響時(shí)，其值為一常數(shù)， mdff Li ?? ； f? ——永磁體產(chǎn)生的磁鏈 ，可由 ?0ef ?? 求取， e0 為空載反電動(dòng)勢(shì)，其值為每相繞組反電動(dòng)勢(shì)有效值的 3 倍，即 00 3Ee ? ； J ——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載機(jī)械折算過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 )； RΩ ——阻力系數(shù) ； TL ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ； P =d/dt—— 微分算子。 CBA uuu 、 ——A、 B、 C 三相繞組電壓 。 （ 2） 研究永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的幾種電流控制策略，對(duì)比其工作特性。 采 用電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制。針對(duì)以上基本思想，許多學(xué)者致力于這方面的研究，提出了眾多方案。隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)必然升高，當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到電機(jī)的額定電壓或是逆變器的直流側(cè)電壓時(shí)，電機(jī)的輸入電流將不能跟蹤控制器的輸出給定電流，電流調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。 目前我國(guó)也研制成了稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī) 。目前純電動(dòng)轎車和純電動(dòng)客車均已通過(guò)國(guó)家質(zhì)檢中心的型式認(rèn)證試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足有關(guān) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)的規(guī)定。在 10 月舉行的必比登世界清潔汽車挑戰(zhàn)賽上 ， 我國(guó)自主研發(fā)的燃料電池轎車在 7 個(gè)單項(xiàng)獎(jiǎng)中獲得 5 個(gè) A ( 在高速蛇行障礙賽 、 噪音 、 排放 、 能耗 、 溫室氣體減排 5 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)方面的最高等級(jí) )的好成績(jī) ，燃料電池城市客車也以較高的技術(shù)性能和可靠性在挑戰(zhàn)賽中取得了良好的成績(jī)。 與世界其他國(guó)家一樣 ， 電動(dòng)汽車研發(fā)工作在我國(guó)也正在如火如荼的進(jìn)行著。豐田汽車公司在普及混合動(dòng)力系統(tǒng)的低燃耗 、 低排放和改進(jìn)行駛性能方面已經(jīng)走在了世界的前列。 1997 年 12 月 ，豐田汽車公司首先在日本市場(chǎng)上推出了世界上第一款批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力轎車PRIUS。 目前，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車用電機(jī)系統(tǒng)涵蓋了交流感應(yīng)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻等各種類型。 到 “ 十五 ” 末期我國(guó)在電動(dòng)汽車的三大領(lǐng)域 (電池、電機(jī)、電控系統(tǒng) )等方面 取得了一定突破 ； 己經(jīng)具備了自主開發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的基本能力，開發(fā)出包括交流感應(yīng)、開關(guān)磁阻、直流無(wú)刷、永磁磁阻同步等各種類型電機(jī)，雖然在電機(jī)系統(tǒng)研究上取得了相應(yīng)的進(jìn)展，在整車控制器方面也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能還有待于進(jìn)一步的調(diào)整和完善。它在行駛過(guò)程中沒(méi)有污染，熱輻射低，噪音小，不消耗汽油，可應(yīng)用多種能源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便，因此受到世界各國(guó)的歡迎。 48 1 緒論 課題背景及意義 汽車自 1866 年誕生以來(lái)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家物質(zhì)生活和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，汽車工業(yè)己經(jīng)成為世界經(jīng)濟(jì)和各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。 25 三種電流控制策略的比較 23 1cos ?? 控制 13 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理 11 2 電動(dòng)汽車永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速控制策略分析 10 從改進(jìn)控制方法角度提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁能力 最后對(duì)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)行了初步的 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明采用本文所提出的全速范圍弱磁控制算法具有較快的動(dòng) 態(tài)響應(yīng)速度，可以滿足調(diào)速系統(tǒng)弱磁性能要求。永磁同步電 動(dòng) 機(jī)具有體積小、效率高以及功率密度大等優(yōu)點(diǎn) ，特別是內(nèi)置式 PMSM 具有較寬的弱磁調(diào)速能力。 論文分析了永 磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速原理，提出了三 種特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的新弱磁方案。 29 永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制 33 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速困難原因分析 46 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè) 48 最小和最大轉(zhuǎn)速計(jì)算 現(xiàn)代電動(dòng)汽車是融合了電力、電子、機(jī)械控制以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品，是 21 世紀(jì)清潔有效的城市交通工具。中國(guó)是一個(gè)多煤少油的國(guó)家，自 1994 年起，中國(guó)已成為純石油進(jìn)口國(guó)。這要求電動(dòng)汽車調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)具有盡可能高的轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩控制能力、高的運(yùn)行可靠性及在整個(gè)電動(dòng)汽車調(diào)速范圍內(nèi)具有盡可能高的效 率。 電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 國(guó)內(nèi)外主要國(guó)家電動(dòng)汽車發(fā)展 概 況 一直以來(lái) ，出于對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的關(guān)注及占領(lǐng)未來(lái)世界汽車市場(chǎng)的 考慮 ，日本十分重視電 動(dòng)汽車的研制與開發(fā)。 20xx 年 9 月 15 日 ，一汽集團(tuán)與日本豐田汽車公司在北京舉行了混合動(dòng)力汽車合作項(xiàng)目簽字儀式 ，宣布雙方在 20xx 年內(nèi)，共同生產(chǎn)豐田 PRIUS 混 合動(dòng)力轎車。 美國(guó)能源部與三大汽車公司于 1993 年簽訂了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車開發(fā)合 同 ，其中通用汽車公司投入 億美元 ，福特汽車公司投入 億美元 ，克萊斯勒汽車公司投入 8480 萬(wàn)美元 ，進(jìn)行為期 5 年的研制開發(fā)工作 ，并于 1998年北美國(guó)際汽車展上展出了樣車 。 燃料電池汽車。長(zhǎng)安汽車公司采用同軸 ISG 輕度混合方案 ， 成功開發(fā)了第二輪功能樣車和第三輪性能樣車，并在國(guó)內(nèi)率先開展了混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)。由于多數(shù)采用了鎳氫電池、鎳鎘電池 、 鋰離子電池等高性能電池 ， 車輛性能較有保證 ， 已進(jìn)入小批量試生產(chǎn)階段 。所以燃料電池汽車已成為世界各大汽車公司 21 世紀(jì)初激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn) 。因此對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行弱磁控制并且拓寬弱磁范圍有著重要的意義。定義虛擬瞬時(shí)功率 S= |udiq+uqid|，電機(jī)處于最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)， S/ωe=0。 從電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁能力 永磁同步電動(dòng)機(jī)不同的電機(jī)參數(shù)將引起電壓電流相量不同的變化軌跡，部分文獻(xiàn)對(duì)于電機(jī)參數(shù)變化引起的功率特性曲線差異進(jìn)行了研究和探討并且提出了各種改進(jìn)的電機(jī)結(jié)構(gòu)。實(shí)際上這種禍合關(guān)系是十分復(fù)雜的，為了建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通常先做如下假設(shè) ： (1) 電 機(jī)的磁路是線性的，不計(jì)磁路飽和、磁滯和渦流的影響 ； (2) 三 相繞組是完全對(duì)稱的，在空間互差 1200，不計(jì)邊緣效應(yīng) ； (3) 忽 略齒槽效應(yīng)，定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁動(dòng)勢(shì)，忽略高次諧波 ； (4) 不 計(jì)鐵心損耗。 θ——轉(zhuǎn)子 d 軸超前定子 A 相繞組軸線的電角度。在永磁同步電動(dòng) 機(jī)分析中采用如下標(biāo)么化處理方法： ???????????????????????fdNdfememdfNNLRrLpTTLiiuu*)(*)()(***2*????? () 式中 ， *emT 、 *i 、 *u 、 *r 和 *? 分別是轉(zhuǎn)矩、電流、電壓和電角速度的標(biāo)么值。從上一節(jié)中對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的分析可以看出，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的控制可歸結(jié)為對(duì)交軸電流和直軸電流的控制。 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制基本電磁關(guān)系 正弦永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制運(yùn)行時(shí)與系統(tǒng)中的逆變器密切相關(guān)的，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能要受到逆變器的制約。 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子電流空間矢量既不能超出電動(dòng)機(jī)的電壓極限橢圓，也不能超出電流極限圓。 對(duì)于凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡是關(guān)于 d 軸對(duì)稱的一條曲線，且在坐標(biāo)原點(diǎn)處與 q 軸相切，在第二象限和第三項(xiàng)向內(nèi)的漸進(jìn)線均為一條 450 的直線。目前大多小功率的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)都采用 id=0 的控制方法。電動(dòng)機(jī)工作于轉(zhuǎn)矩隨定子電流增大而增大的區(qū)間時(shí)，交、直軸電流與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線如圖 5b)所示。在最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡的 OA 段上，電動(dòng)機(jī)可以以該軌跡上的個(gè)點(diǎn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，且通過(guò)該點(diǎn)的電壓極限橢圓所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為在轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)折速度，而交點(diǎn) A 對(duì)應(yīng)于 輸出轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的轉(zhuǎn)矩速度。在該控制方法基礎(chǔ)上，還可以方便的加入弱磁控制方法，改善電動(dòng)機(jī)恒功率運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩的性能。永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓方程如下式 22 )()( fddqd iLiLu ??? ??? () 從上式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)端電壓隨轉(zhuǎn)速升高到逆變器能夠輸出的最大電壓之后，若要繼續(xù)升高電機(jī)的速度，永磁同步電機(jī)將無(wú)法再作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，而必須采取下述措施之一 (或兼而用之 )，以維持電樞繞組的電勢(shì)平衡，從而獲得一個(gè)新的調(diào)速范圍。因此，一般是通過(guò)增加直軸去磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)弱磁。轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高到 ω2(ω2ω1)時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡與電壓極限圓相交于 B 點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為 Tem2(Tem2 Tem1)，若此時(shí)定子電流矢量偏離最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡，由 B電移至 C 點(diǎn)，則電動(dòng)機(jī)可輸出更大的轉(zhuǎn)矩 Tem1，從而提高了電動(dòng)機(jī)超過(guò)轉(zhuǎn)折速度時(shí)的輸出功率。 定義永磁同步電動(dòng)機(jī)的擴(kuò)速倍 數(shù)為 kξ **m a xm a xbbk ????? ?? () Kξ的具體表達(dá)式為 ????????????????????)1(11)1(1]8)1[()1(161)(1222??????????ff CCk () 顯然，弱磁擴(kuò)速倍數(shù)表示的是永磁同步電動(dòng)機(jī)在空載且不計(jì)電機(jī)各種損耗時(shí)的弱磁擴(kuò)速能力。式 ()是普通永磁同步電機(jī)的固有 特性，是弱磁難的原因。在低速時(shí)，電機(jī)電流控制角很小，交軸分量電流很大，直軸分量電流很小。本節(jié)從電動(dòng)機(jī)本身出發(fā)，提出三 種特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，使其更利于弱磁擴(kuò)速。從如中可以看出，永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力隨弱磁率的增加而提高，如果同時(shí)增加電動(dòng)機(jī)的凸極率，則弱磁擴(kuò)速能力會(huì)有更明顯的提高。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于某一轉(zhuǎn)速 ω 時(shí)，由電壓方程可得到弱磁控制時(shí)電流矢量軌跡 22l i m )()( dddfd iLuLi ??? ???? () 由電壓方程（ ）可以得出轉(zhuǎn)速的表達(dá)式 22l i m)()( qqddf iLiLpu???? ? () 圖 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁原理圖 當(dāng)電動(dòng)機(jī)端電壓和電流達(dá)到最大值，電流全部為直軸電流 分量，并且忽略定子電阻的影響時(shí)，電動(dòng)機(jī)可達(dá)到的理想最高轉(zhuǎn)速為 )( limlimm a x iLp u df ??? ? () 最大輸入功率弱磁控制 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的普通弱磁控制達(dá)到轉(zhuǎn)折速度后，在增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，必須降低電機(jī)的電流，從而今年入最大輸入功率弱磁控制，此時(shí)定子電流矢量沿著電壓極限橢圓軌跡取值。 只要電流分量控制適當(dāng)，就有可能獲得一個(gè)輸出恒定功率的調(diào)速范圍 (即恒功率弱磁范圍 )。這種 弱磁能力的大小與電樞