電動(dòng)汽車用電機(jī)控制策略分析

電動(dòng)汽車用電機(jī)控制策略分析摘要第一章緒論1.1引言1.2電動(dòng)汽車的定義及優(yōu)勢(shì)1.2.1電動(dòng)汽車的定義1.2.2電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)1.3電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)1.4本論文選題的意義及主要內(nèi)容1.4.1選題的意義1.4.2本文的主要內(nèi)容第二章電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹2.1電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成與布置方式2.3電動(dòng)汽車中電動(dòng)機(jī)類型及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.4電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)第三章交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及其控制策略第四章無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制策略第五章永磁同步電動(dòng)機(jī)及其控制策略5.1永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)5.2永磁同步電機(jī)矢量控制理論5.2.1電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制5.2.2PMSM坐標(biāo)變換5.2.3PMSM數(shù)學(xué)模型5.2.4電流極限圓和電壓極限圓5.3永磁同步電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩控制id=0控制5.3.2最大轉(zhuǎn)矩／電流比控制5.3.3恒磁鏈控制5.3.4cosφ=1控制5.4永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制第六章全文總結(jié)與展望摘要第一章緒論1.1引言在未來的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)將成為世界最大的汽車消費(fèi)國(guó)，2010年我國(guó)汽車增加到五千六百萬輛以上，不過空氣污染源也會(huì)大幅度提高，空氣污染將有64%來自于汽車尾氣的排放，在2020年左右，我國(guó)石油消費(fèi)量將超過4.5億噸，而我國(guó)能源系統(tǒng)效率平均低于國(guó)際先進(jìn)水平10%，但是我國(guó)60%石油消費(fèi)量依賴于進(jìn)口，要是仍然采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展汽車工業(yè)將會(huì)使我國(guó)為此付出巨大代價(jià)和對(duì)環(huán)境保護(hù)也會(huì)造成巨大的壓力。在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，我國(guó)汽車工業(yè)的未來發(fā)展需要我們好好思考。根據(jù)現(xiàn)在世界人口和汽車的增長(zhǎng)趨勢(shì)來看，今后50年中，世界人口和汽車數(shù)量分別從60億增加到100億和7千萬增加到2億5千萬輛以上。若這些車輛都采用內(nèi)燃機(jī)，能源需求和空氣污染將會(huì)給人類造成巨大的壓力和損壞。因此我們必須開發(fā)節(jié)能環(huán)保型以及高效智能型的交通車輛，只有這樣才能在本世紀(jì)實(shí)現(xiàn)交通的可持續(xù)發(fā)展。能源危機(jī)曾經(jīng)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重影響，因此石油畢源的爭(zhēng)奪更加強(qiáng)烈，石油糾紛在國(guó)際上也不斷發(fā)生，甚至為了爭(zhēng)奪石油資源而爆發(fā)的戰(zhàn)爭(zhēng)在近幾年也不斷發(fā)生。因此石油資源的解決是當(dāng)今世界每個(gè)國(guó)家所面臨的首要考慮的問題，石油資源解決的好壞是當(dāng)今世界是否穩(wěn)定的重要因素。電動(dòng)汽車是將機(jī)算機(jī)、電子與化學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域中的高新技術(shù)于一體，是汽車、計(jì)算機(jī)、電力拖動(dòng)、新材料、新能源、功率電子、自動(dòng)控制、化學(xué)電源等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、燃料電池汽車和純電動(dòng)汽車對(duì)世界汽車的發(fā)展以及環(huán)境的保護(hù)都起到一個(gè)前所未有的階段，具有里程碑的意義。1.2電動(dòng)汽車的定義及優(yōu)勢(shì)我國(guó)政府已將電動(dòng)汽車的快速發(fā)展列入我國(guó)“十五”國(guó)家863計(jì)劃，加大了對(duì)電動(dòng)汽車開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的投入，與世界發(fā)達(dá)國(guó)家電動(dòng)汽車發(fā)展接軌，目前已經(jīng)取得了一定得成就。我國(guó)不少高等院校、相關(guān)的研究以及國(guó)內(nèi)部分企業(yè)都加強(qiáng)了對(duì)電動(dòng)汽車研究開發(fā)的力度，加快了汽車事業(yè)的發(fā)展速度。目前我國(guó)純電動(dòng)汽車研發(fā)比較順利，可以小批量生產(chǎn)與應(yīng)用;與此同時(shí)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展目前它的產(chǎn)業(yè)化也可以說具備條件;值得炫耀的是我國(guó)的燃料電池汽車研發(fā)目前達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。因此我國(guó)建立電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，逐步實(shí)施車用能源動(dòng)為系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1.2.1電動(dòng)汽車的定義電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用全部或部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配置大容量電能儲(chǔ)存裝置,符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛1.2.2電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)現(xiàn)如今各國(guó)都在發(fā)展電動(dòng)汽車事業(yè)，是由于它具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):(l)污染小。電動(dòng)汽車在本質(zhì)上是一種零排放汽車，一般無直接排放污染物，大多是間接污染，如電池廢棄物和發(fā)電的時(shí)候所消耗的能源而造成的污染都屬于間接污染。然而國(guó)家目前也在大力改進(jìn)間接污染，再加上電池廢棄物的回收技術(shù)逐漸成熟。其次水力、原子能發(fā)電等均十分清潔，只是火力發(fā)電污染比較嚴(yán)重，但相對(duì)于燃油汽車而言，它的控制難度就比較容易了，這樣電動(dòng)車就可以實(shí)現(xiàn)人們想要的“清潔車輛”。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料調(diào)查顯示，電動(dòng)汽車的噪音比燃油車輛要低5dB以上。而目前世界各大城市的噪音污染比較嚴(yán)重，因此要想大幅度降低噪音污染，在世界范圍內(nèi)電動(dòng)汽車的廣泛使用是必不可少的。(2)節(jié)約能源，改善能源消耗結(jié)構(gòu)。據(jù)測(cè)算，將原油提煉成柴油和汽油，要是用它們作為燃油汽車驅(qū)動(dòng)能源時(shí)，它們平均只有大約14%的能量利用效率。我國(guó)石油儲(chǔ)量?jī)H占世界石油儲(chǔ)量的2%一3%左右，因此我國(guó)以石油為主的能源消耗，只能通過進(jìn)口才能滿足國(guó)內(nèi)的能源需求因此電動(dòng)汽車的廣泛使用，對(duì)減少石油資源消耗具有舉足輕重的影響。(3)優(yōu)越的車輛性能。電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速、加速快，比燃油汽車高出2個(gè)數(shù)量級(jí);電機(jī)可分散配置，可直接控制車輪轉(zhuǎn)速，易實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和四輪轉(zhuǎn)向。(4)提高道路利用率和交通安全性。由于信息技術(shù)和控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電動(dòng)汽車的安全性和可靠性大幅提高。電動(dòng)車比傳統(tǒng)的燃料汽車更易實(shí)現(xiàn)精確的控制，智能交通系統(tǒng)則有可能率先通過電動(dòng)車來實(shí)現(xiàn)，從而提高道路利用率和交通安全性。(5)改善電網(wǎng)負(fù)荷。世界各國(guó)供電系統(tǒng)都存在負(fù)荷平衡問題。也就是說白天是用電高峰，夜間人們相對(duì)于白天而言用電量要少得多，因此我們利用夜間對(duì)電動(dòng)汽車充電，這樣不但有利于電動(dòng)汽車的能量補(bǔ)充也能使電網(wǎng)負(fù)荷得到平衡，這樣對(duì)降低維護(hù)電網(wǎng)的成本也起著至關(guān)重要的作用。(6)樹立節(jié)能環(huán)保的國(guó)家形象。隨著我國(guó)對(duì)外開放，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，在世界上的地位逐年不斷提高，與世界各國(guó)的交往更加密切，而電動(dòng)汽車的發(fā)展和廣泛使用對(duì)樹立中國(guó)在國(guó)際上的良好形象有著重要意義。1.3電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，主要由電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、主能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)等組成。各個(gè)子系統(tǒng)的組成如圖2.1所示，加速和制動(dòng)踏板作為信號(hào)的輸入端，主控制器在接受到信號(hào)后，發(fā)出相應(yīng)的控制指令來控制PWM功率轉(zhuǎn)換器，通過功率轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)來控制電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)或者加速。能源子系統(tǒng)為電機(jī)正常運(yùn)行提供能源。輔助子系統(tǒng)主要給電機(jī)提供動(dòng)力轉(zhuǎn)向以及車內(nèi)溫度的控制等作用。電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的智能核心，它由電控單元、功率轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)組成。電控單元的作用是接收加速踏板輸入的信號(hào)，以及電機(jī)反饋的速度信號(hào)和電流信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)的控制指令來控制功率轉(zhuǎn)換器的功率裝置的通斷，以獲得電動(dòng)汽車良好的動(dòng)、靜態(tài)運(yùn)行特性和能量利用率。因此，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在很大程度上決定了整車的運(yùn)行性能和效率。主能源子系統(tǒng)由主電源和能量管理系統(tǒng)構(gòu)成，能源管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)能源利用監(jiān)控、能量再生、協(xié)調(diào)控制等功能的關(guān)鍵部件。輔助控制子系統(tǒng)主要是為電動(dòng)汽車提供控制電源，具有輔助電源的控制、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、充電控制、空氣調(diào)節(jié)等功能。1.4本論文選題的意義及主要內(nèi)容1.4.1選題的意義目前研制和開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要有電池、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)控制、整車設(shè)計(jì)，以及能量管理技術(shù)等。然而，制約電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸是電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是提高汽車動(dòng)力性、續(xù)駛里程和可靠性的保證。其輸出特性決定了電動(dòng)汽車的動(dòng)力特性，同時(shí)，它的效率對(duì)電動(dòng)汽車效率的影響也非常大。目前，在電池技術(shù)未取得突破的背景下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略的選擇成為電動(dòng)汽車技術(shù)研究的主要熱點(diǎn)，也是提高續(xù)駛里程并使之實(shí)用化的關(guān)鍵，目的是提高電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)性能、續(xù)駛里程以及行駛方便性、可靠性等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的研究以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究為中心，輔以各種新型控制技術(shù)而展開。1.4.2本文的主要內(nèi)容本文對(duì)電動(dòng)汽車概念，結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分類及電動(dòng)汽車電機(jī)控制的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)做了簡(jiǎn)要介紹，并針對(duì)目前最為流行的異步電機(jī)，永磁無刷直流電機(jī)，永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制策略的分析第二章電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由電控系統(tǒng)、電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)車輪等部分組成。它將蓄電池輸出的電能轉(zhuǎn)化為車輪上的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行駛，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分，可以說它是電動(dòng)汽車的心臟。2.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求電動(dòng)汽車與其它的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比較，有其自身的特點(diǎn)。它對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相應(yīng)有其特殊的要求:1)能夠頻繁地啟動(dòng)、停車，加、減速，對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能要求高2)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的速度、轉(zhuǎn)矩變化范圍大，既要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，又要運(yùn)行在恒功率區(qū)，同時(shí)還要求保持較高的運(yùn)行效率;3)能在惡劣工作環(huán)境下可靠地工作。正因?yàn)殡妱?dòng)汽車對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有這些特殊要求，所以在電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇及其變流器、控制器的設(shè)計(jì)，都必須考慮到這些特殊的要求。在確定了電動(dòng)車的目標(biāo)性能后,對(duì)與之相匹配的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能可提出如下要求:①電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度特性能滿足電動(dòng)車對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的要求。②能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率和轉(zhuǎn)矩的迅速、平滑的控制。③系統(tǒng)整體效率高,功率密度大。④能夠在惡劣的工作環(huán)境下可靠地工作。⑤成本低,易維修。2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成與布置方式電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)又可分為電氣和機(jī)械兩大系統(tǒng)。其中電氣系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、功率變換器和電子控制器三個(gè)子系統(tǒng);機(jī)械系統(tǒng)的組成主要包括變速裝置和車輪。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電氣與機(jī)械系統(tǒng)有著多種組合方式，其基本布置方式有機(jī)械驅(qū)動(dòng)布置方式、機(jī)電集成驅(qū)動(dòng)布置方式、機(jī)電一體化驅(qū)動(dòng)布置方式和輪毅電機(jī)驅(qū)動(dòng)布置方式四種布置方式。各種布置方式之間最大的區(qū)別就在于對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)部件保留的多少。越高級(jí)的布置方式，對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車的機(jī)械傳動(dòng)部件保留得就越少，而且更能發(fā)揮電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)。不論電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用哪種布置方式，其電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本上都相同，主要由三個(gè)部分組成，如圖2.1所示。2.2電動(dòng)汽車中電動(dòng)機(jī)類型及其控制系統(tǒng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性曲線如圖1．1所示：這條特性曲線分為兩個(gè)區(qū)域：I區(qū)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和II區(qū)恒功率區(qū)。電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩保持恒定而功率隨著轉(zhuǎn)速的上升而線性增加；電機(jī)在恒功率區(qū)運(yùn)行時(shí)功率保持恒定而轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的上升而呈雙曲線減小。當(dāng)汽車起停和加減速時(shí)，需要克服慣性阻力，對(duì)轉(zhuǎn)矩要求比較高，因此電動(dòng)汽車主要運(yùn)行于I區(qū)中。而當(dāng)汽車車速較高，汽車行駛比較平穩(wěn)時(shí)，主要用來克服行駛阻力，轉(zhuǎn)矩消耗比較小，因此電動(dòng)汽車主要運(yùn)行于II區(qū)。為了滿足電動(dòng)汽車的這種特性，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用電機(jī)及其控制系統(tǒng)的要求為：在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)具有較高的效率；有較強(qiáng)的過載能力、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及良好的起動(dòng)加速性能：調(diào)速范圍寬，且低速運(yùn)行時(shí)能夠提供大轉(zhuǎn)矩；高可靠性、高功率密度、低成本。目前，電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、無刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)，其中后三種應(yīng)用更為廣泛。2.2.1直流電動(dòng)機(jī)（DC）及其控制系統(tǒng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)最早采用了直流電動(dòng)機(jī)，其特點(diǎn)是成本低、控制簡(jiǎn)單、調(diào)速方便。直流電動(dòng)機(jī)通過脈寬調(diào)制技術(shù)改變供給直流電動(dòng)機(jī)的端電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器限制了電機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，換向時(shí)產(chǎn)生的火花對(duì)電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)所造成的干擾影響也非常大。直流電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是以直流電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。與直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)相匹配的變流器是斬波器，它將固定的直流電壓變成可調(diào)的直流電壓;調(diào)速方法主要是調(diào)壓調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)是最早應(yīng)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的電動(dòng)機(jī)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性。目前，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍然在城市無軌電車上廣泛應(yīng)用。由于直流電動(dòng)機(jī)使用電刷結(jié)構(gòu)，使得它的轉(zhuǎn)速、功率密度、使用壽命都受到了限制，同時(shí)它的重量和體積也較大。隨著現(xiàn)代交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法的改進(jìn)，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能己經(jīng)趕上了直流電動(dòng)機(jī)。作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)最終將被交流電動(dòng)機(jī)所取代。2.2.2開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)及其控制系統(tǒng)在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，人們一直希望尋找一種價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠，調(diào)速范圍寬的電動(dòng)機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)就是這樣開始得到研究者的重視。20世紀(jì)80年代，研究者們就開始設(shè)計(jì)用作電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上有很大的不同，它與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似，為雙凸極可變磁阻電動(dòng)機(jī)。其工作原理是基于電子繞組通電后，其磁路選擇最小磁阻路線的趨勢(shì)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的。由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有繞組、滑環(huán)和永磁體等，只是在定子上裝有集中繞組，因而開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)比其它任何一種電動(dòng)機(jī)都簡(jiǎn)單，具有較高的可靠性。另外開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在很寬的范圍內(nèi)都能夠保持高效率，調(diào)速范圍寬，控制靈活。因此開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)比較符合電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求。由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，導(dǎo)致噪聲成為開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最主要的缺點(diǎn)。其次，由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，功率變換器的直流電流波動(dòng)也較大，所以在直流母線上需要放置一個(gè)很大的濾波電容。同時(shí)，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)需要位置檢測(cè)器，會(huì)有非線性特性。目前的應(yīng)用還受到限制。2.2.3交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（AC）及其控制系統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)又稱異步電動(dòng)機(jī)。最初由于電力電子技術(shù)以及調(diào)速方法的限制，它在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用并不被看好。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率電力電子器件的出現(xiàn)，以及調(diào)速方法的改進(jìn)，使得交流感應(yīng)電機(jī)的調(diào)速性能逐漸趕上并超過了直流電動(dòng)機(jī)。目前交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)己經(jīng)成為在工業(yè)應(yīng)用中使用最為廣泛的拖動(dòng)電機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，控制技術(shù)相對(duì)成熟等優(yōu)點(diǎn)。異步電動(dòng)機(jī)的控制方法主要有恒壓頻比控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。恒壓頻比控制的優(yōu)點(diǎn)是控制方法簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)速的改變可以通過控制電源頻率實(shí)現(xiàn)；其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能不好，在突加負(fù)載或轉(zhuǎn)速給定突變時(shí)容易發(fā)生失步現(xiàn)象。矢量控制的調(diào)速范圍寬，可以對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行精確控制，從零速起對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的控制方法比矢量控制簡(jiǎn)單，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快；但控制精度不如矢量控制高。目前異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用存在的問題是功率密度較低，低速性能不好，容易發(fā)熱，電機(jī)參數(shù)及負(fù)載的變化對(duì)其有較大的影響。相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)而言，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)比較復(fù)雜。它的變流器又稱逆變器。由于蓄電池以直流的形式輸出能量，所以要用蓄電池輸出的能量來驅(qū)動(dòng)交流感應(yīng)電機(jī)，就必須將蓄電池輸出的直流電進(jìn)行變流處理，將其逆變?yōu)榻涣麟?。逆變器的工作原理是通過電力電子器件的開關(guān)及合理的交流電路來將直流電逆變成交流電。現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，為交流感應(yīng)電機(jī)調(diào)速性能的改善提供了硬件條件?，F(xiàn)在，雖然交流感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高，但是由于電機(jī)本身具有體積小、成本低、調(diào)速范圍寬、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)大部分電動(dòng)汽車還是采用了交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?，F(xiàn)代研究較多的調(diào)速方法有PWM調(diào)速、矢量控制(VC)和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。2.2.4無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDC)及其控制系統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是功率密度大，控制方法簡(jiǎn)單，效率高。其缺點(diǎn)是換相時(shí)電流難以達(dá)到理想狀況，所以會(huì)造成一定程度的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及振動(dòng)噪聲，但對(duì)應(yīng)用于對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)不成問題。因此，BLDC系統(tǒng)在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛的重視。BLDC不需要換向器和電刷，而是由逆變器和位置檢測(cè)器組成電子換相器。BLDC系統(tǒng)常采用PWM控制，控制系統(tǒng)由橋式變換器、位置傳感器和方波永磁無刷直流電機(jī)等幾部分組成。2.2.5永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）及其控制系統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)具有控制精度高、轉(zhuǎn)矩密度高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)子無導(dǎo)條，無銅耗，所以轉(zhuǎn)子慣量可以做得很小。與普通直流電機(jī)和異步電機(jī)相比，它的功率密度大，體積小，轉(zhuǎn)矩、慣量比大，傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。通過合理設(shè)計(jì)永磁磁路能獲得較好的弱磁性能，使得PMSM在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值，已受到國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車界的高度重視，并己在日本得到了普遍應(yīng)用。永磁同步電動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是最具競(jìng)爭(zhēng)力的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)遣豢煽氐?，可以控制的只有定子繞組的電流。所以永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方式一般是電流控制，它包括三部分:電流指令的生成、定子電流檢測(cè)和電流的閉環(huán)控制。不同的是無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子電流是三相方波電流，無刷交流電動(dòng)機(jī)的定子電流是三相正弦電流。2.3電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)當(dāng)前國(guó)際上各國(guó)都在對(duì)電動(dòng)汽車的高新技術(shù)進(jìn)入深入研究，這是由于電動(dòng)汽車是二十一世紀(jì)綠色的交通工具，在節(jié)省能源上扮演者重要的角色。它將機(jī)算機(jī)、電子與化學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域中的高新技術(shù)于一體，是車輛、電力拖動(dòng)、新能源、智能控制等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。因此電動(dòng)汽車的大力推廣和發(fā)展，可以解除了人們對(duì)石油資源日漸枯竭的擔(dān)心;同時(shí)電動(dòng)汽車作為清潔、節(jié)能的新型交通工具可以做到“零排放”，也就是說電動(dòng)汽車在行駛過程中污染幾乎為零，更重要的是，它的噪音小、熱輻射低以及不消耗汽油，再加上它的結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，使用維護(hù)簡(jiǎn)單。根據(jù)以上分析，那么電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一就是如何提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的效率和高性能。豐田上世紀(jì)80年代前半期的純電動(dòng)汽車采用控制裝置較簡(jiǎn)單的有刷直流電機(jī)，90年代前半期開始采用交流感應(yīng)電機(jī)?，F(xiàn)在豐田的純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車都采用無刷交流永磁同步電機(jī)，并對(duì)其不斷改進(jìn)提高，使電動(dòng)汽車的性價(jià)比不斷提高，增加其競(jìng)爭(zhēng)力，便豐田成為混合動(dòng)力汽車的先領(lǐng)者。美國(guó)、歐洲汽車制造商開發(fā)和生產(chǎn)的電動(dòng)汽車，從優(yōu)先考慮低成本和高可靠出發(fā)，不論是電動(dòng)轎車還是電動(dòng)大客車，采用交流感應(yīng)電機(jī)。但是也在大力開發(fā)無刷永磁電機(jī)，隨著磁性材料、控制技術(shù)和永磁電機(jī)的發(fā)展，無刷永磁電機(jī)性價(jià)比不斷提高，無刷永磁電機(jī)作為歐美電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)將為時(shí)不遠(yuǎn)。“十一五”期間，隨著我國(guó)電動(dòng)汽車整車開發(fā)的需要，不少單位承擔(dān)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的攻關(guān)項(xiàng)目，以中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所為主承擔(dān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的開發(fā)項(xiàng)目。開發(fā)的成果有燃料電池轎車、混合動(dòng)力轎車和四輪電驅(qū)動(dòng)車用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器，它們均為永磁無刷直流電機(jī)?？梢婋妱?dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)目前發(fā)展趨勢(shì)上呈多樣化趨勢(shì)，但都是以異步電機(jī)，永磁無刷直流電機(jī)，永磁同步電機(jī)為主流。值得指出的是，這些電機(jī)都是多學(xué)科集于一體的綜合應(yīng)用，如電力電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自控技術(shù)等?？梢娝鼈兊陌l(fā)展前景十分廣闊，在各種電動(dòng)汽車電機(jī)中是強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子學(xué)的巨大發(fā)展，再加上現(xiàn)在集成度高、速度快、成本低的微機(jī)專用芯片和數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用越來越廣泛，全數(shù)字化的控制系統(tǒng)應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)不再是一種想象。隨著軟件開發(fā)功能的強(qiáng)大，現(xiàn)在用軟件代替硬件，利用了這些電機(jī)的控制功能以及它具有保護(hù)、自診斷和故障監(jiān)視等其它功能。除此之外，我們還可以改變控制策略、修正控制參數(shù)和模型來提高控制系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。可見利用全數(shù)字化的簡(jiǎn)單易用性作為今后電動(dòng)車控制乃至交流傳動(dòng)系統(tǒng)一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。其次目前智能化技術(shù)用在電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)中只是局部智能化的應(yīng)用，如模糊控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)器等。因此完全智能化的發(fā)展是未來電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)重要方向。可見，各種電機(jī)要想在未來的電動(dòng)車中占有一席之地，除了要對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化外，還需要使電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)趨于智能化和全數(shù)字化。第三章交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及其控制策略第四章無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制策略永磁無刷直流電機(jī)是隨著電子技術(shù)、功率半導(dǎo)體和高性能的磁性材料制造技術(shù)的飛速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型的直流電動(dòng)機(jī)，它不僅保持了普通直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且又具有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。永磁無刷直流電電機(jī)實(shí)質(zhì)上可以看作是一臺(tái)用電子換向器取代機(jī)械換向的有刷直流電機(jī)。有刷直流電機(jī)電樞繞組的導(dǎo)通邏輯是通過機(jī)械換向器與電刷的相互配合,使轉(zhuǎn)子電樞線圈在不同磁極下的作用力保持一致，使得電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。在結(jié)構(gòu)上，與有刷直流電動(dòng)機(jī)不同，無刷直流電動(dòng)機(jī)的定子繞組作為電樞，勵(lì)磁繞組由永磁材料所取代。要使永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子所受的電磁力保持一致,就必須根據(jù)每個(gè)時(shí)刻轉(zhuǎn)子磁極位置來確定電樞繞組的導(dǎo)通邏輯,所不同的是,此時(shí)電樞繞組是安裝在定子上,其本身不能旋轉(zhuǎn),要通過電子換向裝置變換其導(dǎo)電順序及分配導(dǎo)通規(guī)律。直流無刷電動(dòng)機(jī)一般由控制器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和電動(dòng)機(jī)本體三部分組成（如圖4.1所示），控制器一般由控制部分和驅(qū)動(dòng)部分組成，而對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)一般用位置傳感器來完成。工作時(shí)，控制器根據(jù)位置傳感器測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置有序的觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路中的各個(gè)功率管，進(jìn)行有序換流，以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。圖4-1永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)框圖4.1電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略分析理想的車輛驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合下原動(dòng)機(jī)的輸出特性為恒功率特性，即Tω=const，但實(shí)際上當(dāng)。ω→0時(shí)不可能達(dá)到T→∞，因此，在工程可實(shí)現(xiàn)的范圍內(nèi)，理想的車輛原動(dòng)機(jī)的輸出特性應(yīng)如圖4-2所示，即在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩特性，在高速時(shí)則為恒功率特性。圖4-2理想的車輛原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性對(duì)于傳統(tǒng)的燃油汽車，內(nèi)燃機(jī)以其熱效率高、重量小、體積緊湊的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)車輛驅(qū)動(dòng)中占據(jù)統(tǒng)治地位。內(nèi)燃機(jī)在其主要工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，為近似的恒力矩特性，且高效率工作的轉(zhuǎn)速范圍較窄。為適應(yīng)車輛行駛的不同驅(qū)動(dòng)力的要求，由內(nèi)燃機(jī)車輛傳動(dòng)系中的離合器、變速器實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的再分配。以汽車為例，駕駛者主要的控制輸入是對(duì)加速踏板(俗稱油門)的操作，由此汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射、節(jié)氣門的開度和點(diǎn)火時(shí)刻(如車輛有自動(dòng)變速系統(tǒng)，還相應(yīng)地自動(dòng)換檔，調(diào)節(jié)變速器的傳動(dòng)比)，調(diào)整車輛驅(qū)動(dòng)特性以響應(yīng)駕駛者的操作。在駕駛者的不同加速踏板踏位下，汽車的驅(qū)動(dòng)特性示意圖如圖4-3所示。一般內(nèi)燃機(jī)汽車的變速器有4—6檔，圖中曲線示意在不同變速檔位下，相應(yīng)的加速踏板踏位控制下的驅(qū)動(dòng)特性。可見，在行駛阻力不變條件下，不同的踏板踏位對(duì)應(yīng)于不同的行駛車速;在行駛車速不變的條件下，不同的踏板踏位對(duì)應(yīng)不同的驅(qū)動(dòng)力矩。換句話說，在任意檔位下，加速踏板踏位的變化，必導(dǎo)致行駛狀態(tài)的變化。圖4-3內(nèi)燃機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性對(duì)于電動(dòng)車輛，一般繼承己被人們接受的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛踏板式或手柄式的控制方式，對(duì)駕駛者的驅(qū)動(dòng)意識(shí)，也應(yīng)具有與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛一致或更優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)響應(yīng)。因此，對(duì)電動(dòng)汽車，尤其是對(duì)取消了傳統(tǒng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的輪式驅(qū)動(dòng)方式，更需作細(xì)致的深入分析和比較，以確定與之相匹配的電機(jī)控制策略。4.2無刷直流電動(dòng)機(jī)控制策略4.2.1電壓控制策略通常所稱的調(diào)壓調(diào)速特性，即屬電壓控制策略。此外，采用線性的電流調(diào)節(jié)系數(shù)的電流負(fù)反饋控制系統(tǒng)，也屬于電壓控制范疇。直流有刷電機(jī)系統(tǒng)和三相永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)，在PWM調(diào)壓驅(qū)動(dòng)下的機(jī)械特性為(4.1)其中,R0—繞組相電阻;Kt—轉(zhuǎn)矩系數(shù);Ke—電動(dòng)勢(shì)系數(shù);ω—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;ρ為單極性PWM控制時(shí)的占空比(設(shè)定與踏板踏位成線性關(guān)系);u為逆變電源電壓。在限制最大輸出電流的條件下，其機(jī)械特性如圖4-4所示。圖4-4PWM調(diào)壓控制下的機(jī)械特性如果采用線性調(diào)節(jié)系數(shù)的電流負(fù)反饋控制，控制框圖如圖4-5所示。其輸出特性為(4.2)其中;珠為與控制Rf=Ra+Kf+Ki踏板對(duì)應(yīng)的電流控制指令。該機(jī)械特性圖示于圖4-5采用線性調(diào)節(jié)系數(shù)的電流負(fù)反饋控制框圖圖4-4和圖4-6表明，電壓控制策略下的無刷直流電機(jī)系統(tǒng)具有線性控制特性，即對(duì)應(yīng)于一定的輸出轉(zhuǎn)矩，輸入指令和速度呈線性關(guān)系;對(duì)應(yīng)于一定的速度，輸入指令和輸出轉(zhuǎn)矩呈線性關(guān)系。此與內(nèi)燃機(jī)汽車的踏板控制比較類似，有與傳統(tǒng)汽車類似的駕駛感覺。此外，采用電壓控制策略除了具有與內(nèi)燃機(jī)車輛相一致的驅(qū)動(dòng)特性，要達(dá)到駕駛者期望的車速，是通過駕駛者相應(yīng)的控制反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。由式4.2可得圖4-6線性電流負(fù)反饋控制下的機(jī)械特性(4.3)這表明電壓控制策略對(duì)應(yīng)于車輛的加速度控制，并隨著車速的提高，同一指令控制下所產(chǎn)生的加速度相應(yīng)減小。當(dāng)Vin為階躍輸入時(shí)，轉(zhuǎn)速響應(yīng)為(4.4)即對(duì)輸入指令而言，轉(zhuǎn)速是一個(gè)以為時(shí)間常數(shù)的大慣性環(huán)節(jié)。因此，當(dāng)車輛寸進(jìn)、點(diǎn)動(dòng)行駛時(shí)，由于大慣性環(huán)節(jié)的積分作用，對(duì)駕駛者反應(yīng)速度的要求大大下降，同時(shí)，電壓控制策略下，隨著車速的增加，驅(qū)動(dòng)能力則相應(yīng)下降，符合車輛穩(wěn)定性和安全性的要求。4.2.2轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略轉(zhuǎn)矩控制策略包括直接輸入轉(zhuǎn)矩(電流)指令的電流滯環(huán)控制，采用積分作用(如PI規(guī)律)的調(diào)節(jié)系數(shù)的電流控制，以及基于轉(zhuǎn)矩控制的空間電壓矢量控制。相應(yīng)于這類控制的電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性類同。在理想電源條件下，這類機(jī)械特性為平行于轉(zhuǎn)速坐標(biāo)軸的直線。對(duì)實(shí)際容量有限的電源，機(jī)械特性如圖4-7所示。對(duì)于三相永磁無刷直流電機(jī)，其外廓斜線的方程為(4.5)其中，Umax—驅(qū)動(dòng)橋臂可加的最高電壓;Ra—繞組相電阻;Kt—轉(zhuǎn)矩系數(shù);K—電動(dòng)勢(shì)系數(shù);ω—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在電池組的有限電壓供電條件下，電動(dòng)汽車采用此控制策略，雖具有很好的加速性，但在不同的輸入指令下，機(jī)械特性的下降段卻近乎重合。這樣，當(dāng)車輛運(yùn)行處于這一區(qū)域時(shí)，對(duì)應(yīng)于一定范圍內(nèi)輸入指令的變化，車輛穩(wěn)定的行駛速度卻近乎相等。這表明，控制踏板踏位與車輛運(yùn)行狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相異，駕駛控制的感覺將明顯不同。因此，轉(zhuǎn)矩控制策略不適用于輪式電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)。圖4-7電流滯環(huán)控制下的機(jī)械特性4.2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制策略轉(zhuǎn)速控制策略是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸入指令與轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)的差值△V，進(jìn)行PI或PID規(guī)律調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制。以下分析表明，電動(dòng)汽車在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制下，駕駛感覺與內(nèi)燃機(jī)車輛相異。設(shè)在理想條件下，對(duì)速度輸入指令為 (4.6)(4-7)其中Kv為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù);Kυ為控制踏板所對(duì)應(yīng)的速度指令。由于在實(shí)際的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制設(shè)計(jì)中，為保證輸出轉(zhuǎn)速快速跟蹤轉(zhuǎn)速輸入指令，通過系統(tǒng)校正，大慣性環(huán)節(jié)被零、極點(diǎn)對(duì)消，因此在電機(jī)正常工作區(qū)域內(nèi)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)對(duì)輸入指令而言為小慣性環(huán)節(jié)。此時(shí)，如在狹小的轉(zhuǎn)速變動(dòng)范圍內(nèi)行駛或?qū)崿F(xiàn)寸進(jìn)、點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，就要求駕駛者實(shí)現(xiàn)氣在零值附近的微小調(diào)節(jié)。然而，受駕駛者反應(yīng)速度和現(xiàn)有操作方式的限制，事實(shí)上，速度閉環(huán)控制難以完成期望的運(yùn)動(dòng)。4.3本章小結(jié)第五章永磁同步電動(dòng)機(jī)及其控制策略三相永磁同步電機(jī)（PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM）是從繞線式轉(zhuǎn)子同步電機(jī)發(fā)展而來的。它用強(qiáng)抗退磁的永磁轉(zhuǎn)子代替了繞線式轉(zhuǎn)子，從而淘汰了易出故障的繞線式轉(zhuǎn)子同步電機(jī)的電刷，克服了交流同步伺服電動(dòng)機(jī)的致命弱點(diǎn)，同時(shí)兼有體積小、重量輕、慣性低、效率高、轉(zhuǎn)子無發(fā)熱問題等特點(diǎn)。因此它一出現(xiàn)，便在高性能系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。5.1永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與供電電源頻率fs之間具有固定不變的同步關(guān)系，即只要供電電源的頻率不變，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速可視為常值不隨負(fù)載的改變而變換。同步電機(jī)有定子鐵心、三相對(duì)稱的繞組和固定鐵心用的機(jī)座和端蓋等部件組成。三相繞組在空間上是對(duì)稱的，若通以時(shí)間上對(duì)稱的三相電流就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速為：ns=n=60fs/p,其中，fs為定子電源頻率，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和普通的同步電機(jī)一樣由三相繞組和鐵心構(gòu)成，只是用永磁體取代普通同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組，省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)形狀呈拋物線狀，氣隙磁通呈正弦波分布。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為凸極式和嵌入式兩種。凸極式轉(zhuǎn)子是將永磁體安裝在轉(zhuǎn)子軸的表面，由于永磁材料的磁導(dǎo)率十分接近空氣的磁導(dǎo)率，所以在交軸、直軸上的電感基本相同；而嵌入式轉(zhuǎn)子則是將永磁體嵌入在轉(zhuǎn)子軸的內(nèi)部，交軸的電感大于直軸的電感。并且除了電磁轉(zhuǎn)矩外，還有磁阻轉(zhuǎn)矩存在。永磁同步電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如表5.1所示永磁同步電機(jī)雖然轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別很大，但是由于使用了永磁材料，還有如下的共同特點(diǎn)：1)永磁同步電機(jī)具有電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，僅需要適當(dāng)?shù)馗淖冸姍C(jī)的功率角度，轉(zhuǎn)速還維持在原來的同步轉(zhuǎn)速不變，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不會(huì)影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。永磁同步電機(jī)非常適合在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下運(yùn)行，因?yàn)槠渌查g最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍以上。2)永磁同步電機(jī)具有高功率因數(shù)和高效率。與異步電機(jī)相比，不需要無功勵(lì)磁電流，所以能夠得到比異步電機(jī)高很多的功率因數(shù)，進(jìn)而得到相對(duì)更小的定子電流和定子銅耗，且在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子銅耗，這樣就降低了總的損耗，從而可以減小風(fēng)扇的容量或者去掉風(fēng)扇，與同規(guī)格的異步電機(jī)相比效率提高了2~8個(gè)百分點(diǎn)。3)永磁同步電機(jī)的體積小、重量輕。隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電機(jī)的功率密度得到了很大的提高，體積和重量與同容量的異步電機(jī)相比都有很大的減少，使得它可以在很多特殊場(chǎng)合應(yīng)用。4)永磁同步電機(jī)的可靠性高。與電勵(lì)磁同步電機(jī)和直流電機(jī)相比，沒有電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的可靠性自然提高了。5)永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣泛。由于其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的多樣化，產(chǎn)生了特點(diǎn)和性能各異的許多品種。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、民用、國(guó)防、日常生活等場(chǎng)合都有應(yīng)用，可以說永磁同步電機(jī)無處不在。5.2永磁同步電機(jī)矢量控制理論5.2.1電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式(5-1)式中，Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；TL孔為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；GD2為電機(jī)和負(fù)載的飛輪矩。從式(2-1)可以看出，轉(zhuǎn)矩的控制是電動(dòng)機(jī)調(diào)速的關(guān)鍵。如果能快速準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)矩，使得傳動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)獲得較小的動(dòng)態(tài)速降和較短的恢復(fù)時(shí)間，那么；調(diào)速系統(tǒng)就具有較高的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)而言，電磁轉(zhuǎn)矩公式：(5-2)式中，CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Φ為氣隙磁通；Ia為電樞電流。當(dāng)勵(lì)磁電流If不變，即Φ不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩與電樞電流Ia成正比。由于直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個(gè)可控量Ia和If是相互獨(dú)立的，當(dāng)電流Ia變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩可以快速響應(yīng)，所以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)控制性能。對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)，由于定子側(cè)的各物理量，如電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)、磁動(dòng)勢(shì)等都是交流量，其空間矢量以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算均不方便。因此如何將這些旋轉(zhuǎn)空間矢量轉(zhuǎn)換成靜止空間矢量，就成了交流電動(dòng)機(jī)控制的關(guān)鍵問題。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可以借助坐標(biāo)變換將各物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系觀察，電動(dòng)機(jī)的各空間矢量就都變成了靜止矢量。5.2.2PMSM坐標(biāo)變換由于永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)是由電勵(lì)磁式同步電動(dòng)機(jī)發(fā)展而來的，磁體代替了電勵(lì)磁，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷，而定子與電磁式動(dòng)機(jī)基本相同。對(duì)于PMSM來說，定義αβ坐標(biāo)系的α軸與定子A相繞組軸線重合，β軸逆時(shí)針超前α軸90°空間電角度，由于A相繞組軸線是固定的，則α軸也是固定的，故為αβ坐標(biāo)系靜止坐標(biāo)系。同時(shí)定義在空間隨轉(zhuǎn)子以電角速度ωr一起旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系，其中d軸與轉(zhuǎn)子磁極軸線重合，q軸逆時(shí)針超前d軸90°空間電角度，d軸與a軸的夾角為θ，dq坐標(biāo)系為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。αβ坐標(biāo)系和dq坐標(biāo)系如圖2．2圖5.1αβ坐標(biāo)系和dq坐標(biāo)系PMSM矢量控制的基本思想是通過坐標(biāo)變換，將靜止坐標(biāo)系中定子電流空間矢量is分解為dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量——?jiǎng)?lì)磁電流分量id和與之垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量iq，在調(diào)速過程中，通過調(diào)節(jié)id和iq的大小，即可獲得較好的動(dòng)態(tài)性能。坐標(biāo)變換的基本原則是在不同坐標(biāo)系下產(chǎn)生相同的磁動(dòng)勢(shì)。PMSM的子繞組中通入三相對(duì)稱電流iA、iB、iC時(shí)，產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)為以同步轉(zhuǎn)速ωr旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。坐標(biāo)變換的目的就是要確定iA、iB、iC和iα，iβ以及id，iq之間的等效關(guān)系，使得iα，iβ在αβ靜止坐標(biāo)系和id，iq在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下磁動(dòng)勢(shì)，與iA、iB、iC在ABC靜止坐標(biāo)系下產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相同。在三相ABC坐標(biāo)系中，定子電流表示如下（5-3）采用Clark變換，將三相靜止ABC坐標(biāo)系下的電流轉(zhuǎn)換到αβ靜止坐標(biāo)系表達(dá)式如下(5-4)再將αβ靜止坐標(biāo)系下的電流轉(zhuǎn)換到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，得(5-5)這樣，dq坐標(biāo)系下的電流矢量就和PMSM轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子上觀察，電流矢量就是靜止的。其中，id勵(lì)磁分量，iq為轉(zhuǎn)矩分量，且id和iq相互獨(dú)立且正交，因此二者之間沒有耦合。由于iA、iB、iC和iq并不是實(shí)際存在的，因此在進(jìn)行控制時(shí)，需要將這些量變換到ABC靜止坐標(biāo)系下，Park反變換和Clark反變換表達(dá)式如下(5-6)(5-7)上述變換同樣適用于電壓和磁鏈?zhǔn)噶俊?.2.3PMSM數(shù)學(xué)模型由于PMSM的永磁體和繞組，繞組和繞組之間是相互影響的，再加上磁路飽和等非線性因素，因此電磁關(guān)系十分復(fù)雜，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。為了簡(jiǎn)化PMSM的數(shù)學(xué)模型，先作如下假設(shè)：(1)忽略鐵心的飽和效應(yīng)，不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗；(2)永磁材料的電導(dǎo)率為零；(3)轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組；(4)相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為正弦。在ABC坐標(biāo)系中，定子電流和定子電壓空問矢量方程為（5-8）（5-9）將電壓方程變換到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，有（5-10）式中，P為微分操作d／dt；Rs為電樞繞組電阻。dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系種磁鏈方程為（5-11）式中，ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，是常數(shù)；Ld為d軸等效線圈的自感；Lq是q軸等效線圈的自感。電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程為（5-12）式中，P為電機(jī)極對(duì)數(shù)。以dq坐標(biāo)系表示的電流和磁鏈的矢量方程為（5-13）（5-14）將式(5-13)和(5-14)代入式(5-12)，得（5-15）將式(2．11)代入上式得（5-16）PMSM各變量在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的空間矢量圖如圖5.2(a)所示。從圖中可以看出，定子磁鏈空間矢量與定子電流空間矢量同相，與轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量ψf相差β空間電角度，且（5-17）將式(5-17)代入式(5-16)，得（5-18）式中，β稱為轉(zhuǎn)矩角。括號(hào)內(nèi)第一項(xiàng)是定子電流與永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，稱為勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩。由于定子電流空間矢量is與定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量fs同相，所以β角實(shí)際上是定子三相基波合成磁動(dòng)勢(shì)軸線與永磁體基波勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線間的空間電角度，稱β為轉(zhuǎn)矩角。括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)是由轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)引起的，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩。對(duì)于嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于直軸磁路上有永磁體存在，永磁體內(nèi)的導(dǎo)磁率很低，近似于空氣導(dǎo)磁率，所以Ld<Lq。這相當(dāng)于將永磁體從轉(zhuǎn)子中去除后，在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，由于交、直軸磁路不對(duì)稱而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，其與兩軸電感值成正比。對(duì)于面裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于將永磁體安裝在氣隙中，于是Ld=Lq，因此不存在磁阻轉(zhuǎn)矩。當(dāng)β<π/2時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，具有制動(dòng)性質(zhì)；當(dāng)β>π/2時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩為正值，具有驅(qū)動(dòng)性質(zhì)。所以在由插入式和內(nèi)裝式PMSM組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，可以靈活有效地利用磁阻轉(zhuǎn)矩。例如，在恒功率區(qū)，通過調(diào)整和控制β角可以提高輸出轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大轉(zhuǎn)速范圍。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，使其發(fā)生在π／2<β<π范圍內(nèi)，可以提高轉(zhuǎn)矩值。為了推導(dǎo)方便，將dq坐標(biāo)系下的PMSM的方程標(biāo)么化。在PMSM分析中采用如下標(biāo)么化處理方法（5-19）式中，ω*，u*，i*，Tem*，ψ*分別為電角速度、電壓、電流、電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的標(biāo)么值。經(jīng)過標(biāo)么化處理后的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為（5-20）式中，ρ為電機(jī)的凸極率，ρ=Lq／Ld≥1；iq*為q軸電流標(biāo)么值；id*為d軸電流標(biāo)么值。圖5.2PMSM空間矢量和相量圖(a)空間矢量圖(b)相量圖5.2.4電流極限圓和電壓極限圓從式(2．16)中可以看出，當(dāng)ψf和Ld，Lq確定后，PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩Tem便只取決于定子電流矢量is，在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的兩個(gè)分量id和iq的大小和相位。因此，要很好地控制Tem只要控制好id和iq即可。一定的轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)一定的id和iq給定：id*和iq*。通過比較控制PMSM電流的實(shí)際值與給定值，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的控制。電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制策略有三種，即恒轉(zhuǎn)矩控制、普通弱磁控制和最大輸入功率弱磁控制。在這三種電流控制策略中，恒轉(zhuǎn)矩控制和普通弱磁控制是一定存在的，而最大輸入功率弱磁控制只有當(dāng)ψf／Ld<imax時(shí)才會(huì)存在。由于電機(jī)和逆變器的電壓、電流都有一定的限制，因此PMSM運(yùn)行時(shí)，其端電壓和定子電流不能超出最大電壓umax默和最大電流imax。PMSM穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，id和iq為常值，因此，式(5-10)可以簡(jiǎn)化為（5-21）高速時(shí)，電阻上的壓降很小，可以忽略不計(jì)，因此上式可以簡(jiǎn)化為（5-22）直流母線電壓固定時(shí)，電壓矢量受到umax的限制（5-23）將式(5-22)代入式(5-23)得（5-24）上式構(gòu)成了PMSM電壓極限橢圓軌跡。由式(5-24)可以看出，對(duì)于每一個(gè)轉(zhuǎn)速ωr都對(duì)應(yīng)著dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)一個(gè)圓心為(ψf／Ld，0)的電壓極限橢圓，且橢圓的兩軸長(zhǎng)度隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速∞，的增大而逐漸減小，因此電壓極限橢圓是一簇橢圓曲線。當(dāng)Ld=Lq時(shí)，電壓極限橢圓的軌跡為圓。電壓極限橢圓如圖5.3中虛線所示。同樣，由逆變器供電的電機(jī)定子電流在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)的分量id和iq受電流極限值imax的限制，應(yīng)滿足(5-25)上式對(duì)應(yīng)的軌跡是dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心的圓，稱為電流極限圓，如圖5.3中實(shí)線所示。電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定子電流也必須落在電流極限圓軌跡之內(nèi)。圖5.3電壓極限圓和電流極限圓(a)隱極式(b)凸極式PMSM每個(gè)運(yùn)行狀態(tài)都有一個(gè)定子電流矢量與其對(duì)應(yīng)，該電流矢量同時(shí)受電壓極限方程和電流極限方程的限制，在id,iq坐標(biāo)平面內(nèi)該矢量只能處在電壓極限橢圓軌跡和電流極限圓軌跡的交集內(nèi)。對(duì)于某一給定轉(zhuǎn)速ω，定子電流矢量的范圍即圖5.3中ABCDEF所包圍的區(qū)域。5.2..5基速和轉(zhuǎn)折速度在理想空載情況下，若忽略空載電流，則有(5-26)定義空載電動(dòng)勢(shì)e0達(dá)到umax時(shí)的轉(zhuǎn)子速度為速度基值，記為ωrb。由式(5-26)可得Ωrb=umax/ψf(5-27)在負(fù)載情況下，當(dāng)速度較高時(shí)，可忽略定子電阻的影響。定義在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)定子電流為額定值，定子電壓達(dá)到極限值時(shí)的轉(zhuǎn)子速度為轉(zhuǎn)折速度，記ωn.。對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)，則有 （5-28）5.3永磁同步電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩控制根據(jù)PMSM不同的應(yīng)用要求，恒轉(zhuǎn)矩控制主要有：id=0控制、最大轉(zhuǎn)矩／電流比控制、恒磁鏈控制、COSφ=1控制等控制方法id=0控制采用id=0的線性化解耦控制，PMSM可以具有和直流電動(dòng)機(jī)一樣的控制特性。id=0控制的時(shí)．空矢量圖如圖5.4所示。從圖中可以看出，定子反電動(dòng)勢(shì)矢量Ea與is同相。轉(zhuǎn)矩角β=90。，電機(jī)定子電流矢量is沒有直軸分量id，只有交軸分量iq，電