電動汽車永磁同步電動機弱磁調速研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 田汽車公司在北京舉行了混合動力汽車合作項目簽字儀式 ，宣布雙方在 20xx 年內，共同生產豐田 PRIUS 混 合動力轎車。 PRIUS 混合動力轎車將在同年進入中國市場。 繼 PRIUS 混合動力轎車之后 ，豐田汽車公司還推出了 ESTIMA 混合動力汽車和搭載軟混合動力系統的 CROWN 轎車。豐田汽車公司在普及混合動力系統的低燃耗 、 低排放和改進行駛性能方面已經走在了世界的前列。此外 ， 本田汽車公司開發的 Insight 混合動力電動汽車也已投放市場 ， 供不應求。 20xx 年 4 月，本田汽車公司在美國市場上投放了 Civic 混合動力汽車。日產汽車公司于 20xx年向美國市場銷售 Ahima 牌混合動力汽車，這是其于 20xx 年與豐田汽車公司簽署聯合生產混合動力汽車協議的第一個產品。 美國的汽車公司在電動汽車產業化方面比來自日本的同行遜色不少 ， 三大汽車公司僅僅小批量生產 、 銷售過純電動汽車，而混合動力和燃料電池電動 汽車目前還未能實現產業化，來自日本的混和動力電動汽車在美國市場上占據了主導地位。 美國能源部與三大汽車公司于 1993 年簽訂了混合動力電動汽車開發合 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 萬美元 ，進行為期 5 年的研制開發工作 ，并于 1998年北美國際汽車展上展出了樣車 。 在此基礎上 ， 現已推出三款混合動力概念車GM Precept、 Ford Prodigy、 Daimler Chrysler Dodge ESX3 。 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 ， 雙方將在開發混合動力電動汽車的技術領域攜手，共同推進此項技術的發 展。 與世界其他國家一樣 ， 電動汽車研發工作在我國也正在如火如荼的進行著?！?十五 ” 期間，國家從維護我國能源安全 、 改善大氣環境 、 提高汽車工業競爭力 、實現我國汽車工業的跨越式發展的戰略高度考慮 ， 設立 “ 電動汽車重大科技專項 ” ，通過組織企業 、 高等院校和科研機構 ， 集中國家 、 地方 、 企業 、 高校 、科研院所等方面的力量進行聯合攻關。為此 ， 從 20xx 年 10 月起，國家共計撥款 億元作為這一重大科技專項的經費。 我國電動汽 車重大科技專項實施 4 年來 ，經過 200 多家企業 、 高校和科研院所的 20xx 多名技術骨干的努力 ， 目前已取得重要進展 。 燃料電池汽車已經成功開發出性能樣車 ， 燃料電池轎車累計運行 4000 k m，燃料電池客車累計運行8000k m；混合動力客車已在武漢等地公交線路上試驗運行超過 14 萬 k m；純電動轎車和純電動客車均已通過國家有關認證試驗。 燃料電池汽車。均采用 電 —電混合驅動方案 ，在整車操控性能 、 行駛性能 、安全性能 、 燃料利用率等方面均已得到較大提高。 20xx 年 5 月在北京召開的世界氫能大會上，我國自主研發的燃料電 池轎車和客車樣車與世界領先的奔馳公司樣車同堂展出，引起了世界的驚贊。在 10 月舉行的必比登世界清潔汽車挑戰賽上 ， 我國自主研發的燃料電池轎車在 7 個單項獎中獲得 5 個 A ( 在高速蛇行障礙賽 、 噪音 、 排放 、 能耗 、 溫室氣體減排 5 個單項指標方面的最高等級 )的好成績 ，燃料電池城市客車也以較高的技術性能和可靠性在挑戰賽中取得了良好的成績。 混合動力汽車。一汽 、 東風 、 長安 、 奇瑞等汽車公司對此都投入了較大 的人力 、 物力 。 各車型均已完成功能樣車開發 。 20xx 年 11 月 8 日，湖北省啟動武漢電動汽車試驗示范運行工作 ， 先后投入 6 輛由東風電 動車輛股份有限公司研制的混合動力客車 ， 已累計運行 14 萬 k m，載客 15 萬人次 ；混合動力轎車按 ECE城市工況與基本車型進行的對比試驗顯示 ， 其燃料經濟性提高 40％左 右 ，達到了節油的目的。長安汽車公司采用同軸 ISG 輕度混合方案 ， 成功開發了第二輪功能樣車和第三輪性能樣車，并在國內率先開展了混合動力專用發動機開發。經過國家檢測機構測試，動力性能接近參考車的水平 ， 綜合油耗降低接近 17％，排放達到歐 Ⅲ 標準 。 純電動汽車。目前純電動轎車和純電動客車均已通過國家質檢中心的型式認證試驗，各項指標均滿足有關 國家標準和企業標 準的規定。 天津清源電動車輛有限公司等單位研發的純電動轎車，其整車的動力性 、 經濟性 、 續駛里程 、 噪聲等指標已超過法國雪鐵龍公司贈送的純電動轎車和箱式貨車，初步形成了關鍵技術的研發能力。北京理工大學等單位初步完成了北京理工科凌電動車輛股份有限公司密云電動車輛產業化生產基地的建設 ，并于 20xx 年 12 月 30 日順利通過北京市公共交通總公司組織的示范運行車組驗收。小批量研發生產的 4 種車型 、近40 輛公交車即將投入北京市奧運電動示范車隊的示范運行。 電動汽車的發展趨勢 1) 純蓄電池驅動的超微型汽車 這種汽車降低 了汽車的動力性和續駛里程的要求 ，充電過程比較簡單 ，車速不高 ，較適合于市內或社區小范圍內使用。由于多數采用了鎳氫電池、鎳鎘電池 、 鋰離子電池等高性能電池 ， 車輛性能較有保證 ， 已進入小批量試生產階段 。比如 ， 日本的 Hypermini 采用了高性能鋰離子電池 ， 最高時速為 90km，一 次充電可行駛 115km，是一款適合未來城市道路行駛的家庭轎車。 2) 驅動電機呈多樣性發展 美國傾向于采用交流感應電機 ， 其主要優點是結構簡單 、 可靠 ， 質量較小 ，但控制器技術較復雜 ； 日本多采用永磁無刷直流電機 ， 優點是效率高 ， 起動扭矩較大 ， 質量 較小 ， 但成本較高 ， 且有高溫退磁 、 抗振性 、 較差等不足 ； 德國 、 英國等大力開發開關磁阻電機 ， 優點是結構簡單 、 可靠 ， 成本較低 ， 缺點是質量較大 ， 易于產生噪聲 。 目前我國也研制成了稀土永磁無刷直流電機和開關磁阻電機 。 電動機的使用尚無定論 ，有待今后在使用中考驗。 3) 混合動力汽車 由于受到蓄電池性能的嚴重制約 ， 使純蓄電池型電動汽車的產業化進程舉步維艱 ， 于是混合動力汽車成了內燃機汽車和電動汽車之間的過渡產品，既充分發揮了現有內燃機技術優勢 ， 又盡可能發揮電機驅動無污染的優勢。混合動力汽車將現有內燃機與一定的儲能元器件通過先進 控制系統相結合，可以大幅度降低 油耗 ， 減少污染物排放 ， 同時技術成熟 、 價格便宜。 4) 燃料電池汽車 燃料電池汽車在成本和整體性能上 ， 特別是行程和補充燃料時間上明顯優于其他電池的電動汽車 ， 并且燃料電池所用的燃料 (甲醇 、 汽油 、 柴油 、 天然氣等 )來源廣泛 ， 可實現無污染 、零排放等環保標準。所以燃料電池汽車已成為世界各大汽車公司 21 世紀初激烈競爭的焦點 。 永磁同步電動機弱磁控制研究現狀 隨著電機調速控制理論、電力電子和微電子技術的迅速發展以及永磁材料性能價格比的不斷提高，永磁同步電動機的變頻調速進入了深入研究 和廣泛應用的階段。與此同時，對永磁同步電動機的調速控制性能也提出了更高的要求 ， 高性能的永磁同步電動機調速系統除了要有良好的轉矩控制性能外，還應具有較寬的調速范圍。隨著永磁同步電動機轉速的增加，電機定子繞組的反電動勢必然升高，當反電動勢達到電機的額定電壓或是逆變器的直流側電壓時，電機的輸入電流將不能跟蹤控制器的輸出給定電流，電流調節器處于飽和狀態。此時，要設法減小永磁同步電動機的反電動勢，即采用弱磁控制以達到擴速的目的。由于永磁同步電動機的主磁場是由永磁體產生，不能像直流電機或感應電機那樣弱磁，給永磁同步電動 機的高速恒功率運行帶來了新的 問題 。 弱磁控制可以實現永磁同步電動機在低速時能輸出恒定轉矩，高速時能輸出恒定功率，有較寬的調速范圍。較強的弱磁性能能夠在逆變器容量不變的情況下提高系統性能 ； 或者說在保持系統性能不變的前提下降低電機的最大功率，從而降低逆變器的容量。因此對永磁同步電動機進行弱磁控制并且拓寬弱磁范圍有著重要的意義。 永磁同步電動機的轉子磁場由永磁體產生，因此，不可能直接被減弱。其弱磁控制是利用直軸電樞反應使電機氣隙磁場減弱，從而達到等效于減弱 磁場的效果。針對以上基本思想，許多學者致力于這方面的研究，提出了眾多方案。 六步電壓法。其主要思想是 ： 當電機弱磁運行時，通過控制電機的功率因數角，調整電機的輸出轉矩和減弱電機的磁場。該方法可實現對逆變器直流母線電 壓的最大利用 ； 采用電壓模型計算電機功率因數角，受電機參數的影響相對較小。 基于虛擬瞬時功率的弱磁控制方法。定義虛擬瞬時功率 S= |udiq+uqid|，電機處于最大轉矩運行時， S/ωe=0。通過尋找 S/ωe 的最優值實現永磁同步電動機的弱磁控制。 采用過調制技術，根據零電壓矢量作用時間判斷過調制起 始點，用查表法確定調制比，提高逆變器直流母線電壓利用率，實現對永磁同步電動機弱磁運行區域的擴展。 采 用電流調節器實現永磁同步電動機的弱磁控制。電流調節器包括前饋解耦環節和電壓補償環節。定子交軸電流由電機角頻率給定值與實際值之間的偏差決定，定子直軸電流由每安培最大轉矩控制方案決定。由于溫升和直流母線電壓引起的電壓變化會導致電壓補償器工作不正常，嚴重時可能引起整個系統的不穩定，將直流母線電壓作為一反饋量用于電壓外環調節的改進方案，從而使系統工作在最大電壓利用狀態。控制外環的電壓可以確保電流調節器在任何工況下不至于飽和，從而取得較滿意的控制效果。 從電機結構設計提高永磁同步電動機的弱磁能力 永磁同步電動機不同的電機參數將引起電壓電流相量不同的變化軌跡，部分文獻對于電機參數變化引起的功率特性曲線差異進行了研究和探討并且提出了各種改進的電機結構。 主要 是 用復合轉子結構的永磁同步電動機 和 漏磁路電機設計法 來提高弱磁能力 。 課題主要工作 本課題主要圍繞永磁同步電動機弱磁調速的研究，采用 矢量控制的方法研究弱磁調速， （ 1） 對永磁同步電動機的運行原理進行研究，分析永磁同步電動機的功率、轉矩 特性，損耗及效率特性 ； 建立起精確的永磁同步電動機的數學模型，為控制策略的研究提供基礎。 （ 2） 研究永磁同步電動機矢量控制的幾種電流控制策略，對比其工作特性。 針對永磁同步電動機弱磁運行難的特點，本論文將以弱磁率和凸極率為參數對永磁同步電動機的弱磁原理進行深入的研究，并找出影響其擴速能力的因素。 （ 3） 采用 TI 公司專用于電機控制的 TMS320LF24O7A 型數字信號處理器(DSP)作為核心，開發了全數字化的 PMSM 矢量控制調速系統，并完成相應的系統軟硬件設計。 （ 4）對所設計的電動汽車用永磁同步電動機驅動系統進行了實驗驗證。 2 電動汽車永磁同步電動機弱磁調速控制策略分析 永磁同步電動及數學模型 永磁同步電動機的定子與傳統的感應電動機定子結構基本相同，有空間對稱分布的 A、 B、 C 三相繞組，轉子上安裝有永磁體，永磁體的勵磁磁場與定子繞組中電流產生電磁藕合作用，使電動機轉動。實際上這種禍合關系是十分復雜的，為了建立永磁同步電動機的數學模型，通常先做如下假設 ： (1) 電 機的磁路是線性的，不計磁路飽和、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，不計邊緣效應 ； (3) 忽 略齒槽效應，定子電流在氣隙中只產生正弦分布的磁動勢，忽略高次諧波 ； (4) 不 計鐵心損耗。 將定子繞組中 A 相繞組的軸線作為空間坐標的參考軸線 as。再確定磁鏈和電流正方向后，永磁同步電動機在 A、 B、 C 坐標系下的定子方程為： 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 。 CBA uuu 、 ——A、 B、 C 三相繞組電壓 。 Rs ——電子繞組的電阻 。 LA、 LB、 LC ——電機定子繞組自感系數 。 MXY ——定子 X 繞組與 Y 繞組間的互感系數 。 f? ——轉子永磁體磁極的勵磁磁鏈 。 θ——轉子 d 軸超前定子 A 相繞組軸線的電角度。 從以上的公式中，可見在 A、 B、 C 坐標系中，永磁同步電動機的 模型方程不僅復雜，而且電耦 合程度還與轉子位置有關，即方程是非常定的。分析正弦波電流控制的永磁同步電動機最常用的方法就是 dq 數學模型，它不僅可用于分析正弦波永磁同步電動機的穩態運行，也可用于分析電動機的瞬態性能。 經過坐標變換得到 永磁同步電動機在 dq 坐標系下的數學模型 如下： 電壓方程 ???????????????????????????qqqdddqddqdqddiRdtdiRdtdiRdtduiRdtdu2222221100?? () 磁鏈方程 ?????????????????????qmqqqqfmddmddddqmqqqqfmddmddddiLiLiLiLiLiLiLiLiLiL22222222 () 電磁轉矩方程 )( qqddem iipT ???? () 機械運動方程 ????? ?RTTdtdJ Lem () 式中 ， u ——電壓 ； i ——電流 ； ψ ——磁鏈 ； d、 q ——下標，分別表示定子的 d、 q 軸分量 ； 2d、 2q ——下標，分別表示轉子的 d、 q 軸分量 ； Lmd、 Lmq ——定、轉子間 d、 q 軸互感 ； Ld、 Lq ——定子繞組 d、 q 軸電感， Ld=Lmd+L1， Lq=Lmq+L1； L2d、 L2q ——轉子繞組 d、 q 軸電感， L2d=Lmd+L2， L2q=Lmq+L2； Ll、 L2 ——定、轉子漏電感 ； if ——永磁體的等效勵磁電流 (A)，當不考慮溫度對永磁體的影響時，其值為一常數， mdff Li ?? ； f? ——永磁體產生的磁鏈 ，可由 ?0ef ?? 求取， e0 為空載反電動勢，其值為每相繞組反電動勢有效值的 3 倍，即 00 3Ee ? ； J ——轉動慣量 (包括轉子轉動慣量和負載機械折算過來的轉動慣量 )； RΩ ——阻力系數 ； TL ——負載轉矩 ； P =d/dt—— 微分算子。 對絕大多數正弦波調速永磁電動機來說，轉子上不存在阻尼繞組，因而，電動機的電壓、磁鏈和電磁轉矩方程可簡化為 ?????????????????????????????????])([)(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量表示成空間向量的形式，則 d、 q 坐標系下永磁同步電動機的空間向量