電動汽車用永磁同步電機控制策略研究

1、PAGE i摘要資源枯竭和能源短缺隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)了比較突出的問題，世界各國不得不花費巨大資金去研究新措施去解決汽車工業(yè)所帶來的種種難題。從技術來講，開發(fā)與利用新能源汽車是工業(yè)領域上可行的措施之一。而永磁同步電機具有高效節(jié)能、功率因數(shù)高；結(jié)構簡單；調(diào)速精度高；效率曲線平直等特點，加上我國稀土資源開發(fā)甚優(yōu)，電動車的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)應用更為廣闊。所以性能高的電機控制系統(tǒng)的最優(yōu)策略研究是非常重要的。本文首先分析了電動汽車用永磁同步電機研究的原理以及矢量知識，其中講述了永磁同步電機的機械特性和磁場分析等。然后對永磁同步電機提出幾種優(yōu)化控制策略，并做出仿真系統(tǒng)圖。最后介紹了永磁同步電機的設計

2、方案與測試。關鍵詞：電動車；永磁同步電機；控制策略；研究Abstract The depletion of resources and energy shortage with the development of automobile industry and the appear of a more prominent problem. Countries all over the world have to spend huge money to study new measures to solve the problems caused by the automobile indus

3、try from a technical perspective, evolution and utilization of new vitality vehicle is one of the feasible of industry field. The permanent magnet synchronous motor with high efficient, work in well speed; constructing a simple; speed is very fast ; efficiency curve and other features of straight, r

4、are earth resources in our country is very excellent . the permanent magnet synchronous motor electric drive system application have good benefit. So the optimal strategies for motor control system with high performance is very important. This paper firstly studies the electric vehicle permanent mag

5、net synchronous motor and the theory analysis, which describes the permanent magnet synchronous motor mechanical properties and magnetic field analysis. Then the permanent magnet synchronous motor and to explain several optimization control strategy and make the simulation system. Finally introduces

6、 the design and experiment of permanent magnet synchronous motor.Keywords ： electric vehicles; permanent magnet synchronous motor; control strategy; study目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc387836477 摘要 PAGEREF _Toc387836477 h i HYPERLINK l _Toc387836478 Abstract PAGEREF _Toc387836478 h ii HYPERLINK

7、l _Toc387836479 1 緒論 PAGEREF _Toc387836479 h 1 HYPERLINK l _Toc387836480 1.1 課題背景及研究的目的和意義 PAGEREF _Toc387836480 h 1 HYPERLINK l _Toc387836481 1.2 國內(nèi)外研究概況及其發(fā)展 PAGEREF _Toc387836481 h 1 HYPERLINK l _Toc387836482 1.2.1電動汽車概述 PAGEREF _Toc387836482 h 1 HYPERLINK l _Toc387836483 1.2.2電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _T

8、oc387836483 h 1 HYPERLINK l _Toc387836484 1.3電動汽車用永磁同步電動機的應用與研究 PAGEREF _Toc387836484 h 2 HYPERLINK l _Toc387836485 1.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc387836485 h 3 HYPERLINK l _Toc387836486 2 電動汽車用永磁同步電機研究的原理及矢量分析 PAGEREF _Toc387836486 h 4 HYPERLINK l _Toc387836487 2.1永磁同步電機的構造和機械特性 PAGEREF _Toc387836487 h 4 HYPE

9、RLINK l _Toc387836488 2.1.1永磁同步電動機的結(jié)構 PAGEREF _Toc387836488 h 4 HYPERLINK l _Toc387836489 2.1.2永磁同步電機的機械特性 PAGEREF _Toc387836489 h 5 HYPERLINK l _Toc387836490 2.2永磁同步電機的原理與磁場分析 PAGEREF _Toc387836490 h 5 HYPERLINK l _Toc387836491 2.2.1永磁同步電機的原理 PAGEREF _Toc387836491 h 5 HYPERLINK l _Toc387836492 2.2.

10、2永磁同步電機與磁場的關系 PAGEREF _Toc387836492 h 5 HYPERLINK l _Toc387836493 2.3永磁同步電機的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc387836493 h 6 HYPERLINK l _Toc387836494 2.4 永磁同步電機的矢量分析 PAGEREF _Toc387836494 h 7 HYPERLINK l _Toc387836495 2.4.1 矢量坐標變換原理 PAGEREF _Toc387836495 h 7 HYPERLINK l _Toc387836496 2.5本章小結(jié) PAGEREF _Toc387836496 h

11、8 HYPERLINK l _Toc387836497 第3章 永磁同步電機優(yōu)化控制策略及仿真 PAGEREF _Toc387836497 h 9 HYPERLINK l _Toc387836498 3.2 定子電流的優(yōu)化控制策略 PAGEREF _Toc387836498 h 10 HYPERLINK l _Toc387836499 3.2.1 恒轉(zhuǎn)矩區(qū)電流控制方法 PAGEREF _Toc387836499 h 10 HYPERLINK l _Toc387836500 3.3 SVPWM 算法 PAGEREF _Toc387836500 h 13 HYPERLINK l _Toc38783

12、6501 3.31導通模式原理 PAGEREF _Toc387836501 h 13 HYPERLINK l _Toc387836502 3.3.2.算法的實現(xiàn) PAGEREF _Toc387836502 h 14 HYPERLINK l _Toc387836503 3.4 仿真與結(jié)果分析 PAGEREF _Toc387836503 h 14 HYPERLINK l _Toc387836504 3.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc387836504 h 15 HYPERLINK l _Toc387836505 4 永磁同步電機的設計方案與測試 PAGEREF _Toc387836505

13、h 16 HYPERLINK l _Toc387836506 4.1永磁同步電機的電磁設計 PAGEREF _Toc387836506 h 16 HYPERLINK l _Toc387836507 4.1.1定子繞組的設計 PAGEREF _Toc387836507 h 16 HYPERLINK l _Toc387836508 4.1.2轉(zhuǎn)子繞組的設計 PAGEREF _Toc387836508 h 16 HYPERLINK l _Toc387836509 4.1.3永磁體的設計 PAGEREF _Toc387836509 h 16 HYPERLINK l _Toc387836510 4.2永

14、磁同步電機矢量控制設計 PAGEREF _Toc387836510 h 16 HYPERLINK l _Toc387836511 4.3永磁同步電機電流環(huán)設計 PAGEREF _Toc387836511 h 17 HYPERLINK l _Toc387836512 4.4永磁同步電動機的測試 PAGEREF _Toc387836512 h 18 HYPERLINK l _Toc387836513 4.5本章小結(jié) PAGEREF _Toc387836513 h 18 HYPERLINK l _Toc387836514 5結(jié)束語 PAGEREF _Toc387836514 h 20 HYPERLI

15、NK l _Toc387836515 5.1總結(jié) PAGEREF _Toc387836515 h 20 HYPERLINK l _Toc387836516 5.2展望 PAGEREF _Toc387836516 h 20 HYPERLINK l _Toc387836517 參考文獻 PAGEREF _Toc387836517 h 21 HYPERLINK l _Toc387836518 致謝 PAGEREF _Toc387836518 h 22PAGE 201 緒論 1.1 課題背景及研究的目的和意義19世紀80年代世界上第一輛電動車輛在法國的世界展覽會上誕生，留給了世人萬受矚目的眼光。之后英

16、國也相繼研制出了一輛電動三輪車，為此歐美國家興起了大力發(fā)展電動車輛的高潮。汽車的發(fā)展已成為了人類社會現(xiàn)代化程度的一個標志。電動汽車是一個國家或地區(qū)里不可缺少的交通工具，對社會的發(fā)展有著不可替代的作用。汽車的產(chǎn)業(yè)特征是規(guī)模效益顯著、技術與資金密不可分以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展大等。它在發(fā)展自身產(chǎn)業(yè)的同時也牽動了其它行業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展。因此，電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直是各國政府十分關注的焦點。在汽車行業(yè)迅猛的發(fā)展下同時給社會帶來了不少負面影響,如:環(huán)境污染、能源短缺、交通堵塞等等，這都會給社會的安定以及公眾的健康帶來嚴重的危害。我國在汽車工業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)也是十分嚴峻的，石油資源日益短缺，開采量也會慢慢減少，所以在電動汽

17、車行業(yè)里采用先進技術研究、節(jié)能環(huán)保和利用可再生能源等措施是行之有效的。1.2 國內(nèi)外研究概況及其發(fā)展1.2.1電動汽車概述電動汽車是一種用電能驅(qū)動電動機發(fā)生運轉(zhuǎn)而提供動力能源的汽車。電動汽車有燃料電池汽車(FCEV) 、純電動汽車（PEV）、和混合動力電動汽車(HEV)三類，目前市場上開發(fā)的燃料電池電動汽車基本上帶有超級容量電容器輔助能源裝置來加以穩(wěn)固電動汽車的制動能量。電動汽車系統(tǒng)構造有三大部分：一部分為電力驅(qū)動系統(tǒng)，它的作用就是一種能量的轉(zhuǎn)換，可以給電動汽車用來加速或者制動。電力驅(qū)動樣式繁多，其中的機械驅(qū)動價格低，效率也低。而多電機系統(tǒng)尺寸精準，效益好；一部分為輔助子系統(tǒng)，功能是穩(wěn)定汽車的

18、轉(zhuǎn)向，來輔助動力源，給汽車駕駛員帶來舒適。另一部分是電源子系統(tǒng)，也可以進行能量轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換與驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換相反，這是汽車電源的一切來源。汽車在行駛過程中由蓄電池經(jīng)過功率轉(zhuǎn)換器向電動機供電。1.2.2電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀在19世紀后期電動汽車就開始問世，但隨著能源危機的不斷加深，世上可用的石油資源也越來越少用了，在加上全球氣溫上升和大氣污染等狀況，世界各國政府已經(jīng)意識到將來汽車產(chǎn)業(yè)的主要技術發(fā)展方向就是減少環(huán)境污染和節(jié)約能源。各國汽車企業(yè)將大力發(fā)展電動汽車行業(yè)，并與燃油汽車競爭發(fā)展而取代。在歐美國家或地區(qū)得到本國政府的大力支持，投入了大量的科研資金維持了電動車行業(yè)現(xiàn)代化技術的發(fā)展。如英、德、美等

19、國政府具有各種高深制造術和豐盛的開發(fā)資源，研制出各種各樣的電動汽車，并加以研究，改善了電動汽車的部分問題。美國在2000年推出Precept概念車，百公里耗油量為3L，是世界上第一輛到達標準的汽車。奧巴馬上臺后，美國政府改變了汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，逐漸減少以前的燃料電池汽車的生產(chǎn)，加大力度研究純電動汽車和充電式混合動力汽車的發(fā)展方向，開發(fā)生產(chǎn)量也在快速增加。德國在20世紀70年代就創(chuàng)建了城市電動車研究中心，用于開發(fā)電動車行業(yè)的新資源和新方向，在2009年獨立研發(fā)出了一款創(chuàng)新混合動力概念車-奧迪Metroprojectquatto，峰值速度可達201 Km/h。法國雷諾在2012年采用了雷諾全新系

20、統(tǒng)的純電動車，行駛里程可達210Km/h。我國的汽車發(fā)展時間相對較短，在燃料電池汽車工業(yè)上要落后汽車產(chǎn)業(yè)大國將近二三十年，但對于電動汽車研究發(fā)展方面我國與不少國家的技術水平和產(chǎn)業(yè)程度已經(jīng)接近，這對我國政府來說，電動汽車行業(yè)是我國發(fā)展的一個重要機遇。我國在江澤民主席提出現(xiàn)代化建設發(fā)展新方向上，不少科研學士也致力于研究和開發(fā)電動汽車行業(yè)的工作，取得了發(fā)展的新趨勢。2006年國家科研部相關電動車行業(yè)技術人員致力于研究新能源汽車的一些重大項目，隨后幾年里取得了重要性的突破，在電動車整車以及一些零件方面上達到幾百項國內(nèi)外專利。到2013年，國內(nèi)電動車行業(yè)的發(fā)展不僅在產(chǎn)量上快速發(fā)展，在質(zhì)量上也有實質(zhì)性的突

21、破。如“御捷馬”電動車也開始進入歐洲市場，銷量也在突飛猛進。1.3電動汽車用永磁同步電動機的應用與研究永磁同步電動機控制是電動汽車的核心內(nèi)容，對電機控制的研究對電動車的發(fā)展有巨大的意義。在電機的實際生產(chǎn)過程中,各類車量對驅(qū)動電機的要求都有明顯的區(qū)別,不同的電機決定了電動汽車的各種性能。對于永磁同步電機的研究不斷地采用新技術，開發(fā)效能持久的電機驅(qū)動系統(tǒng)。 當前世界所要解決的問題是能源問題。隨著石油的產(chǎn)量越來越少，原油的價格不斷攀升，節(jié)約能源的問題必須要解決。電機作為各行業(yè)大范圍使用的電氣設備，運行時間長，是節(jié)能的一個重點。我國作為一個稀土大國，稀土開發(fā)產(chǎn)量在世界排到第一位，我國開發(fā)的稀土永磁電動

22、機可達到目前世界上最高效率電動機的效率水平，比很多國家研究的電動機有明顯的的節(jié)能效果。1.4本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容一開始介紹了課題的背景、研究的目的與意義。其次概述了電動汽車的定義及其研究與發(fā)展，介紹出我國與世界各國在研究電動汽車這塊區(qū)域的差別與優(yōu)勢。最后講了永磁同步電機研究在電動汽車運用中的重要性。2 電動汽車用永磁同步電機研究的原理及矢量分析2.1永磁同步電機的構造和機械特性2.1.1永磁同步電動機的結(jié)構永磁同步電機的主要構成部件：一個為定子，另一個為轉(zhuǎn)子，在定子和轉(zhuǎn)子中間還有一個比較小的空氣隙。定子有比較充足的硬度和韌度，可以減少電動機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的鐵耗。轉(zhuǎn)子裝有永磁材料，由疊片壓制而成，

23、材料有硅鋼片、銅導條和鋁等。按照電動機轉(zhuǎn)子上永磁材料的安裝方式分類，永磁同步電動機的結(jié)構有表面式和內(nèi)置式兩種。下圖2-1是轉(zhuǎn)子磁路的兩種表面式結(jié)構圖： A) B)圖2-1是轉(zhuǎn)子磁路的兩種表面式結(jié)構式 A) 突出式 B) 插入式轉(zhuǎn)子磁路的三種內(nèi)置式結(jié)構形式，如圖2-2所表示： A) B) C）圖2-2 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構的三種不同形式A) 混合式 B) 徑向式 C）切向式2.1.2永磁同步電機的機械特性由于電動機效率對汽車的經(jīng)濟性有著十分重要的意義和影響，永磁同步電動機的等效率特性曲線就成為了汽車設計和控制的重要依據(jù)。其特點就是永磁同步電動機的最大轉(zhuǎn)矩和最大功率隨著轉(zhuǎn)速的變化而相應變化，依據(jù)是無

24、等功率部分。因此永磁同步電動機在維持平緩的速率以及低轉(zhuǎn)距運行時可以達到最優(yōu)效益。2.2永磁同步電機的原理與磁場分析2.2.1永磁同步電機的原理 電動機在不運行時，由定子三相繞組供給三相對稱電壓，使電壓作用于相對轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)激發(fā)多相對稱電流，進而出現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場。定子與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速相同，共同作用就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，加快了轉(zhuǎn)子的速度。當電動機的轉(zhuǎn)速n與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不一樣時，就會有磁場切割產(chǎn)生，并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應電動勢，其頻率f為，所以轉(zhuǎn)子與定子的磁動勢是一樣的，都為同步轉(zhuǎn)速。2.2.2永磁同步電機與磁場的關系永磁同步電動機在正常運行時，存在兩種磁場：空載磁場和電樞反應磁場。

25、在空載磁場中永磁同步電機有一個相同的速度運行，加上電樞電流比較小，可知道電動機內(nèi)有永磁體。當轉(zhuǎn)子用同步轉(zhuǎn)速運行時，在永磁同步電機中就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，得到氣隙密度幅值為： 氣隙磁通為： 在電樞反應磁場中，氣隙磁場發(fā)生的變化比空載磁場要更為復雜，所以只考慮基波分量的變化。電樞反應在永磁同步電機中可以起到去磁、交磁的作用，還會在空間發(fā)生一些變化，其中電樞繞組的電流和電動勢的方向是相反的，當主磁受力時，會形成一個電磁轉(zhuǎn)矩。電樞反應的磁動勢為;2.3永磁同步電機的數(shù)學模型永磁同步電動機的數(shù)學模型理論是在 d-q坐標系中進行的。其中的電壓、電流以及磁鏈等變量的解耦而得到各分解的變量。永磁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)

26、矩有兩種形式，一種形式是永磁轉(zhuǎn)矩，另一種形式是磁阻轉(zhuǎn)矩。這種電磁轉(zhuǎn)矩控制是一種d 、q 軸之間的電流控制。 永磁同步電動機的定子是三相繞組，在數(shù)學建模中有以下要求：a)定子中電樞繞組會有感應電動勢產(chǎn)生，而且是一個正弦波，轉(zhuǎn)子在氣隙空間也是如此。b)轉(zhuǎn)子的阻尼繞組可以忽略不計。c)定子的磁路線性，電感參數(shù)不變。d) 鐵心渦流損耗與磁滯損耗可以忽略不算。由于a-b-c 坐標系下的數(shù)學模型是一個非線性的變量系統(tǒng)，因此同步電機在三相靜止坐標下的磁鏈方程為:其中有：、三相繞組的磁鏈; 、 每相繞組自感、 每相繞組互感;、三相繞組匝鏈的轉(zhuǎn)子每極永磁磁鏈;A、B、C坐標下的電壓方程為：式子中, 2.4 永磁

27、同步電機的矢量分析德國是最先開始提出矢量控制理論的國家，隨后歐美各國也開始關注這一理論思想。矢量控制的思想運用到電壓、電流以及磁鏈等基本參數(shù)作為基準，然后對磁鏈中的電流進行矢量分化得到勵磁部分和轉(zhuǎn)矩部分，再通過電樞電流來影響磁鏈的相關部分而保持固有動態(tài)。2.4.1 矢量坐標變換原理 在交流電動機的理論中得知定子與轉(zhuǎn)子的氣隙間會有一個同步速度在運行，而矢量的坐標變換規(guī)則是變換前后功率或幅值一樣。矢量坐標經(jīng)過變化可以得到永磁同步電機的兩種空間矢量圖： 圖2-3 永磁同步電機空間矢量圖圖a)中120空間差異程度的a-b-c坐標中，方向為a軸線方向。d 軸與 A 軸重合，并且d 軸落后q軸 90電角度

28、，d-q 坐標系與轉(zhuǎn)子以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。 用Clarke變換表示為：2.4.2正弦脈沖寬度調(diào)劑正弦脈沖寬度調(diào)劑（SPWM）的理論是把正弦波看成一種控制信號，三角波信號看成一個載波，通過矢量調(diào)劑而得到SPWM波形。其中實現(xiàn)SPWM波形的最簡單方法是等效面積法，主要是由公式計算出脈沖的寬度。還有一種方法是由正弦調(diào)劑波和三角波的交點算出脈沖寬度時間，得到SPWM波形，如圖所示：自然采樣法圖形由圖形得：還有一種方法是規(guī)則采樣法，原理是用電壓對三角波采樣來得到SPWM波形。這種方法得到的SPWM波形比前面兩種方法得到的SPWM更為精準，誤差更小。如圖所示：規(guī)則采樣法圖形2.5本章小結(jié)本章首先介紹了永磁同步

29、電機的結(jié)構特點與機械特性;在此基礎之上,建立了永磁同步電機的數(shù)學模型并進行矢量分析。最后講了矢量分析的幾種控制策略。第3章 永磁同步電機優(yōu)化控制策略及仿真矢量控制的手段是通過對定子電流的控制達到對轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化控制。針對不同應用的場合，采用不同的控制策略對于電機本身能否發(fā)揮良好的性能尤為重要。對于電動汽車用電機來說，一般要求驅(qū)動電機能夠頻繁地起動停車以及突然加速減速等運行；而且對轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能要求很高，即在爬坡低速運行時轉(zhuǎn)矩大、高速運行時轉(zhuǎn)矩??；由于電機本身具有很寬的調(diào)速區(qū)域，既能適合轉(zhuǎn)矩的要求也能適合恒功率的要求，所以在電機這個調(diào)速區(qū)域內(nèi)具有十分好的運轉(zhuǎn)功效。這些都與電流能否被控制好有關，因

30、此選取良好的控制方法具有至關重要的意義。3.1永磁體性能對永磁同步電機的影響及優(yōu)化策略3.1.1永磁材料的發(fā)展及其性能參數(shù)永磁材料發(fā)展至今已有很多種類，包活有碳鋼、鋁鋼、高性能永磁材料、納米復合材料等。人們最早使用的永磁材料是天然磁鐵礦，永磁材料的發(fā)展到了20世紀的時候到了一個新的高潮。在上個世紀40年代先后開發(fā)了鋁鎳鈷永磁材料和高性能永磁材料，并得到了運用發(fā)展空間，它們的特點有溫度系數(shù)低、重量輕、穩(wěn)定性好等。隨后也開發(fā)了稀土永磁材料，在日本、美國及其中國等國家都得到了相當好的發(fā)展。永磁材料的性能參數(shù)基本有：剩余磁感應強度、磁能積、溫度系數(shù)等。其中磁感應強度的磁滯回線如圖所示：磁滯回線圖3.1

31、.2永磁體性能對永磁同步電動機的影響由于永磁材料在性能上的差異性，在給永磁同步電動機的生產(chǎn)制造增加了一定的難度性，也極大的影響了永磁同步電動機的性能。這也往往給永磁同步電動帶來下列干擾：起動性能的影響在電機啟動過程中，永磁體的制動轉(zhuǎn)矩以及合成轉(zhuǎn)矩是有相對固定變化的。在剩磁密度的不斷上升中，發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩也不斷跟著上升，而合成轉(zhuǎn)矩則是相對應的下降。所以在起動的一開始，起動轉(zhuǎn)矩和起動電流是比較穩(wěn)定的。并沒有受到制動轉(zhuǎn)矩的變化而發(fā)生變動，而只是給最小轉(zhuǎn)矩帶來變動，最終給永磁同步電動機造成一些干擾?？蛰d性能的影響在剩磁密度的上升過程中，空載交軸電流不受到影響，但是直軸和定子的電流呈現(xiàn)V行曲線變化，所以空

32、載電動勢也是不斷增大的。負載性能的影響在空載電動勢的不斷增大過程中，負載的電流和損耗也會發(fā)生相對應的變化。加之剩余磁通密度的增加，橫軸電流跟著增加，q軸電流卻在降低，所以定子電流總體為降低。定子電流在減小過程中影響到銅耗的變化，使之相應減小，也影響到雜質(zhì)損耗減小，鐵耗出現(xiàn)增大的狀況。轉(zhuǎn)矩的影響在剩磁密度的上升過程中，轉(zhuǎn)矩也會發(fā)生變化，就是轉(zhuǎn)矩越來越大，過載能力越來越強。結(jié)合之上描述得知:永磁體性能對永磁同步電動機的干擾很大，在剩磁密度的變動中，起動性能、空載、負載、轉(zhuǎn)矩等都會受到一定的影響。3.1.3對永磁同步電動機性能的控制優(yōu)化永磁同步電動機的性能優(yōu)化是有很重要意義的。根據(jù)上文提到永磁體性能

33、對永磁同步電動機的干擾，永磁同步電動機的性能優(yōu)化更加緊迫，只有更加高效有益的永磁同步電動機才能更好地帶動電動車行業(yè)的發(fā)展。提高功率因數(shù)永磁同步動機的的額定負載一般為80V，用公式表示為：其中為額定相電壓，為電動勢，當電動勢越高，就要用到的永磁體就會越多，就會消耗了更多資源，為了避免資源的浪費，更加有效的利用永磁體，一般要使略微小于。提高效率、擴大運行范圍怎樣去提高效率和擴大運行范圍需要用到行之有效的的措施，就是降低損耗。損耗有不變損耗和可變損耗兩種。不變損耗是指在永磁同步電機中工作中沒有多大變化?？勺儞p耗則相反。（1）降低不變損耗不變損耗在永磁同步電機運行時雖然影響比較小，但為了提高效率，這也

34、是對永磁同步電機改進的一個不可忽略的關鍵。永磁同步電機的不變損耗有機械損耗和鐵耗兩種。在電機的生產(chǎn)過程中，精煉操作水平，采用更熟練的技術可以減少機械損耗。減少鐵耗需要用到更加精密的材料，也可以對定子的鐵心進行調(diào)整，對其密度更加合理的去規(guī)劃。（2）降低可變損耗降低可變損耗相對不變損耗來說需要等多的難度，但還是有方法的。永磁同步電動機有銅耗和雜質(zhì)損耗兩種可變損耗。銅耗是在定子繞組產(chǎn)生的，要降低銅耗就要對定子進行優(yōu)化。如降低定子電流，提高功率因數(shù)。式子：從這表達式可以知道，要外加電壓等于空載電壓。而減少雜質(zhì)損耗的措施有不少，如：采用正弦繞組、擴展氣隙長度、合理設計槽配等。永磁同步電動機性能受外在因素

35、的干擾，會延緩電動機的工作性，對永磁同步電動機性能優(yōu)化是要長期進行專研的。3.2 定子電流的優(yōu)化控制策略3.2.1 恒轉(zhuǎn)矩區(qū)電流控制方法 磁阻轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩是永磁同步電動機的主要構成部分，磁阻轉(zhuǎn)矩一般來說由d、q 軸電流耦合而成，電磁轉(zhuǎn)矩則不同，是一條q 軸電流的線性函數(shù)，兩者是有區(qū)分的。當永磁同步電動機采用id=0控制方法時，磁阻轉(zhuǎn)矩的耦合電流就被忽視了，就影響了永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩輸出能力。所以為了永磁同步電動機更好的運行，就采用了最大轉(zhuǎn)矩/電流（MTPA）的優(yōu)化控制方法，也稱作為電流最小控制法，就是轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定的狀況下，對d、q 軸的電流進行優(yōu)化，達到電流矢量值最小。 電流最小控制法應遵循以

36、下條件，即又因為電流最下控制法的電流有下面關系，為由以上兩個公式可得知最大轉(zhuǎn)矩/電流（MTPA）控制的電流矢量圖，如圖所示由圖可觀察到各種曲線軌跡基本落于第二、三象限，其中最大轉(zhuǎn)矩/電流比軌跡接近于兩個象限的中間，與其他軌跡曲線的交接出與圓心位置的距離最小。根據(jù)P點在圖形中的位置，可知此時轉(zhuǎn)矩最大。故d、q 軸電流關系可表示為：綜上可得出最大轉(zhuǎn)矩/電流（MTPA）控制的d、q 軸電流與電流矢量的關系圖為：此圖的繪出可以方便了解到各種轉(zhuǎn)矩下的最優(yōu)d、q 軸電流值，是永磁同步電動機更好的運行。3.2.2 恒功率區(qū)電流控制方法在圖3-2電流矢量最優(yōu)控制軌跡中可得出結(jié)論：各軌跡相交的A點處，轉(zhuǎn)矩電壓和

37、電流都為飽和狀態(tài)，A點的轉(zhuǎn)速將不再提升，此種狀況下，電流最小控制法也是行不通的。這又必須得對永磁同步電動機再進行優(yōu)化控制，即為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對恒功率區(qū)的轉(zhuǎn)變，這又稱為弱磁控制。弱磁控制需要控制電流的變化作為消除磁場的一些磁作用來進行弱磁。但是一般的弱磁控制還達不到對永磁同步電動機的最優(yōu)控制，其輸出的轉(zhuǎn)矩能力受到了限制。這又用到一種更加高效的控制策略最大輸出功率弱磁控制。這種策略可以給永磁永磁同步電動機帶來高速的運轉(zhuǎn)。如圖3-2所示，軌跡A點到軌跡B點的運行曲線就是弱磁的一部分區(qū)域，稱為弱磁區(qū)。軌跡D點到軌跡E點的運行曲線被稱為弱磁區(qū)。當軌跡向C點運行時，則轉(zhuǎn)速會相應提高，轉(zhuǎn)速值可以達到最大值。在恒功

38、率區(qū)域里的電流表達式為：由公式可以推導出最大輸出功率弱磁控制的轉(zhuǎn)速可以相當好的應用在電動車中。這時需要采用一種對恒轉(zhuǎn)矩區(qū)電流控制到恒功率區(qū)電流控制的切換控制流程圖，如圖3-4所表示：3.3 SVPWM 算法 3.31導通模式原理SVPWM 算法有傳統(tǒng)算法和新型算法兩種，傳統(tǒng)算法的導通模式缺乏新意，對定子電流的運算會有一些誤差，本文主要以研究新型算法為例子。新型算法是在傳統(tǒng)算法的基礎上加以改進 ，把傳統(tǒng)算法中的180導通模式變換為120導通模式，保持導通模式中的任意兩個晶體管處于開通狀態(tài)并進行環(huán)流作用的。這種環(huán)流作用可以消除直通的的短路現(xiàn)象，算法更加清晰。如圖所表示：圖3-5 混合矢量序列圖3.

39、3.2.算法的實現(xiàn)在圖 3-5 混合矢量序列序列圖中，0表示下管開通，1表示上管開通，表示橋臂沒有管子導，一共有12個非零電壓矢量。從圖得出相關結(jié)論：每個電壓矢量把整個空間分成為12個扇區(qū)，每個扇區(qū)都為30。這就能實現(xiàn)電壓前饋補償計算出電壓的結(jié)果，并能輸出信號驅(qū)動。3.4 仿真與結(jié)果分析 由SVPWM 算法可以構建了永磁同步電機矢量的控制系統(tǒng)圖和仿真模型圖，如圖所示。 圖3-6 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)圖圖3-7 PMSM矢量控制總體仿真模塊本實驗的仿真系統(tǒng)由變換坐標模塊、外環(huán)轉(zhuǎn)速控制模塊、內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)模塊、逆變器模塊、SVPWM發(fā)生器模塊以及電機模塊等部分組成。3.5 本章小結(jié) 本章首先介紹

40、了永磁體性能的影響及其性能優(yōu)化，然后在講了兩種優(yōu)化定子電流控制策略并分析了SVPWM 算法，最后對系統(tǒng)構建仿真模型圖。4 永磁同步電機的設計方案與測試4.1永磁同步電機的電磁設計永磁同步電動機由于永磁材料的影響需要對定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組以及永磁體進行明確的設計。4.1.1定子繞組的設計本文研究的定子繞組在永磁同步電動機中有雙層疊繞組和三相單層繞組兩種。雙層疊繞組有兩種不同的線圈，這些線圈可以串聯(lián)或者并聯(lián)。單層繞組的槽內(nèi)只有一個線圈，沒有層間絕緣。其中定子繞組線圈的短距比表達式為：線圈的串聯(lián)表達式為：所以在定子繞組的設計中盡可能用串聯(lián)支路，少用并聯(lián)支路。4.1.2轉(zhuǎn)子繞組的設計轉(zhuǎn)子繞組要考慮起動性

41、能、雜散損耗、以及轉(zhuǎn)子槽等的影響，為避免感應電流過小，就得對轉(zhuǎn)子槽數(shù)有標準的規(guī)定。其中轉(zhuǎn)子槽數(shù)的表達式為：當然還要考慮起動轉(zhuǎn)矩和端環(huán)強度的影響。4.1.3永磁體的設計永磁體的設計方案一個是充磁方向長度，另一個是總寬度。兩個方案都有不同的要求，其中充磁方向長度的要求：永磁體在工作時要保證穩(wěn)定的運行狀態(tài)，同時磁動勢也不能過大。永磁體的總寬度要保證每部分磁密能達到標準狀態(tài)并且基波感應電動勢要等于外加相電壓，表達式為：4.2永磁同步電機矢量控制設計根據(jù)第二章矢量分析可以畫出永磁同步電機的矢量控制結(jié)構圖為：永磁同步電機的矢量控制過程中包括圖中的四種調(diào)節(jié)器和兩種變化，各有各的功能特點。在永磁同步電動機中輸

42、入轉(zhuǎn)速，通過速度調(diào)節(jié)器得到合適的數(shù)據(jù)，在進行電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到想要的電壓，最后進行Park變換和Clarke變換得到所求的矢量。4.3永磁同步電機電流環(huán)設計電流環(huán)在永磁同步電動機的矢量中里運用得非常廣泛，也是提高電動機系統(tǒng)控制策略的重要環(huán)節(jié)。對于電流環(huán)的優(yōu)化需要用到逆變器的你變原理，其中表達式有：在式子里表示逆變器的直流輸入電壓，表示逆變器的頻率其中f表示電流環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)，是反饋濾波環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，是慣性環(huán)節(jié)的增益，所以電流反饋信號要作濾波處理。由數(shù)學模型分析得出結(jié)論:反電動勢對定子電流作用不大，故知在電流環(huán)中也可忽視掉。電流環(huán)的結(jié)構包括有內(nèi)調(diào)節(jié)器、逆變器、增益、反饋等，如圖所示。4.4永磁

43、同步電動機的測試永磁同步電動機在電動汽車中的應用得到了快速的發(fā)展，但由于永磁磁場的原因，永磁同步電動機的性能和參數(shù)的測試會有一些差別，這就需要對永磁同步電機做出測試。4.4.1永磁同步電動機空載性能的測試電動機空載性能有空載電動勢、空載電流和空載損耗三種。其中對空載電動勢的測量可以用最小電流法，即在額定電壓穩(wěn)定的狀態(tài)下對電壓進行調(diào)節(jié)，使空載電流達到最小?？蛰d電流以及空載損耗比空載電動勢的調(diào)節(jié)更加嚴密，要求要有穩(wěn)定的額定頻率和額定電壓，空載的運轉(zhuǎn)時間運行比較充分，才能保證機械損耗達到穩(wěn)定狀況。4.4.2永磁同步電動機工作特性的測試永磁同步電動機的工作特性與輸入功率、定子電流、功率因數(shù)等有關，可用

44、公式表示為：效率表達式為：在測量時要在溫度差變化不大的情況下快速進行，并由負載的大小次序依次記錄。4.4.3永磁同步電動機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速的測量轉(zhuǎn)矩平衡方程表達式為：轉(zhuǎn)矩的測量可以運用應變電測原理，根據(jù)物理參數(shù)來得知轉(zhuǎn)矩。而轉(zhuǎn)速的測量可以采用光電式檢測，根據(jù)計數(shù)器的結(jié)果計算出轉(zhuǎn)速。4.5本章小結(jié)本章一開始對永磁同步電機中電磁設計的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組和永磁體進行了設計，然后再是永磁同步電機的矢量設計和電流環(huán)設計。最后是對永磁同步電機的空載性能測試和工作特性的測試。5結(jié)束語5.1總結(jié)本文是對電動車用永磁同步電機控制策略的研究，首先介紹了電動汽車的發(fā)展狀況以及永磁同步電機在電動汽車中的運用與研究，對電動汽車在國內(nèi)外研究做了了個概括，然后分析了電動汽車用永磁同步電機控制的原理，進而闡述磁場的關系以及矢量分析，并提出優(yōu)化永磁同步電機控制策略的措施，通過SPWM算法構建矢量控制仿真圖，且對其分析，最后提出永磁同步電機的設計方案與測試。由于本人知識點有限和經(jīng)驗不足，只完成了以下工作：1.對永磁同步電