【正文】 最高轉(zhuǎn)速既取決于逆變器可提供的最高電壓，也取決于電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。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。 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) 。 永磁同步電動(dòng)電流控制策略 永磁同步電動(dòng)機(jī)用途不同，電動(dòng)機(jī)電流矢量控制策略也各不相同。當(dāng)轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡靠近 q 軸，說明永磁轉(zhuǎn)矩起主要作用。 對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。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。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩軌跡在 *di 、 *qi 平面上不僅關(guān)于 d 軸對稱，而且在第二象限為正 (運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài) )，在第三象限為負(fù) (運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài) )。 恒轉(zhuǎn)矩軌跡 把電 磁轉(zhuǎn)矩公式 ()用標(biāo)么值表示，當(dāng) qd LL ? 時(shí)可以得到 )1( *** dqem iiT ?? () 式中電流基值為 )( dqfb LLi ??? ，轉(zhuǎn)矩基值為 bfb ipT ?? 。 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。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。將式 ()表示在圖 的 idiq 平面上，即可得到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓極限軌跡 ——電壓極限橢圓。當(dāng)逆變器直流側(cè)電壓最大值為 Uc 時(shí)， Y 型接法的電動(dòng)機(jī)可達(dá)到的最大基波相電壓有效值 623l i m cc UUU ?? () 而在 dq 軸系統(tǒng)中的電壓極限值為 limlim 3Uu ? 。 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。 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。從式 ()可以看出，當(dāng)永磁體的勵(lì)磁磁鏈 和交、直軸電感確定以后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流的空間矢量 is，而 is 的大小和相位又決定于 id 和 iq，也就是說控制 id 和 iq 便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。如何根據(jù)給定的轉(zhuǎn)矩來確定交軸電流和直軸電流，實(shí)際上就是對定子電流矢量控制的問題。從上一節(jié)中對永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的分析可以看出，對永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的控制可歸結(jié)為對交軸電流和直軸電流的控制。 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。而且，當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，僅是一組常系數(shù)的線性微分方程。 對于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于直軸磁路上有永磁體，所以 LdLq(即 1?? )，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)， Ld=Lq，因此不存在磁阻轉(zhuǎn)矩。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。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。 對絕大多數(shù)正弦波調(diào)速永磁電動(dòng)機(jī)來說，轉(zhuǎn)子上不存在阻尼繞組，因而，電動(dòng)機(jī)的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程可簡化為 ?????????????????????????????????])([)(11qdqdqfmddqqdemqqqfmddddqdqqdqddiiLLiiLpiipTiLiLiLiRdtduiRdtdu?? () a) 空間矢量圖 b) 向量圖 圖 PMSM 空間矢量圖和向量圖 如果把上式中的有關(guān)量表示成空間向量的形式，則 d、 q 坐標(biāo)系下永磁同步電動(dòng)機(jī)的空間向量圖如圖 )所示。分析正弦波電流控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)最常用的方法就是 dq 數(shù)學(xué)模型，它不僅可用于分析正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，也可用于分析電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能。 θ——轉(zhuǎn)子 d 軸超前定子 A 相繞組軸線的電角度。 MXY ——定子 X 繞組與 Y 繞組間的互感系數(shù) 。 Rs ——電子繞組的電阻 。再確定磁鏈和電流正方向后，永磁同步電動(dòng)機(jī)在 A、 B、 C 坐標(biāo)系下的定子方程為： ssss dtddtdiLRiu ???? () 式中 ， ? ?TCBAs uuuu ? ， ? ?TCBAs iiii ? ， SIRR? ???????????CCBCABCBBAACABALMMMLMMMLL ， ???????????????)32s in ()32s in (s in?????fS 式中， CBA iii 、 ——A、 B、 C 三相繞組電流 。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，忽略高次諧波 ； (4) 不 計(jì)鐵心損耗。 （ 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。 針對永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁運(yùn)行難的特點(diǎn)，本論文將以弱磁率和凸極率為參數(shù)對永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁原理進(jìn)行深入的研究，并找出影響其擴(kuò)速能力的因素。 課題主要工作 本課題主要圍繞永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速的研究，采用 矢量控制的方法研究弱磁調(diào)速， （ 1） 對永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理進(jìn)行研究，分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩 特性，損耗及效率特性 ； 建立起精確的永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，為控制策略的研究提供基礎(chǔ)。 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)。由于溫升和直流母線電壓引起的電壓變化會導(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)。電流調(diào)節(jié)器包括前饋解耦環(huán)節(jié)和電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)。 采用過調(diào)制技術(shù)，根據(jù)零電壓矢量作用時(shí)間判斷過調(diào)制起 始點(diǎn)，用查表法確定調(diào)制比，提高逆變器直流母線電壓利用率，實(shí)現(xiàn)對永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁運(yùn)行區(qū)域的擴(kuò)展。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。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。 六步電壓法。其弱磁控制是利用直軸電樞反應(yīng)使電機(jī)氣隙磁場減弱，從而達(dá)到等效于減弱 磁場的效果。因此對永磁同步電動(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。 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。此時(shí)，要設(shè)法減小永磁同步電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢，即采用弱磁控制以達(dá)到擴(kuò)速的目的。與此同時(shí)，對永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制性能也提出了更高的要求 ， 高性能的永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)除了要有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能外，還應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍。所以燃料電池汽車已成為世界各大汽車公司 21 世紀(jì)初激烈競爭的焦點(diǎn) 。混合動(dòng)力汽車將現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)與一定的儲能元器件通過先進(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。 電動(dòng)機(jī)的使用尚無定論 ，有待今后在使用中考驗(yàn)。 2) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)呈多樣性發(fā)展 美國傾向于采用交流感應(yīng)電機(jī) ， 其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單 、 可靠 ， 質(zhì)量較小 ，但控制器技術(shù)較復(fù)雜 ； 日本多采用永磁無刷直流電機(jī) ， 優(yōu)點(diǎn)是效率高 ， 起動(dòng)扭矩較大 ， 質(zhì)量 較小 ， 但成本較高 ， 且有高溫退磁 、 抗振性 、 較差等不足 ； 德國 、 英國等大力開發(fā)開關(guān)磁阻電機(jī) ， 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單 、 可靠 ， 成本較低 ， 缺點(diǎn)是質(zhì)量較大 ， 易于產(chǎn)生噪聲 。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 。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。 天津清源電動(dòng)車輛有限公司等單位研發(fā)的純電動(dòng)轎車，其整車的動(dòng)力性 、 經(jīng)濟(jì)性 、 續(xù)駛里程 、 噪聲等指標(biāo)已超過法國雪鐵龍公司贈送的純電動(dòng)轎車和箱式貨車，初步形成了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)能力。 純電動(dòng)汽車。長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，并在國內(nèi)率先開展了混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)。 各車型均已完成功能樣車開發(fā) 。 混合動(dòng)力汽車。 20xx 年 5 月在北京召開的世界氫能大會上，我國自主研發(fā)的燃料電 池轎車和客車樣車與世界領(lǐng)先的奔馳公司樣車同堂展出，引起了世界的驚贊。 燃料電池汽車。 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 。“ 十五 ” 期間，國家從維護(hù)我國能源安全 、 改善大氣環(huán)境 、 提高汽車工業(yè)競爭力 、實(shí)現(xiàn)我國汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略高度考慮 ， 設(shè)立 “ 電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng) ” ，通過組織企業(yè) 、 高等院校和科研機(jī)構(gòu) ， 集中國家 、 地方 、 企業(yè) 、 高校 、科研院所等方面的力量進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。 20xx 年 12 月 14 日， 通用汽 車公 司與戴姆勒 —克萊斯勒汽車公司對外宣布 ， 雙方將在開發(fā)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的技術(shù)領(lǐng)域攜手，共同推進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)的發(fā) 展。 美國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